Міністерство освіти РФ
Тольяттинский державний університет
Кафедра "Промислова електроніка"
Пояснювальна записка до курсової роботи
Генератор прямокутних імпульсів
з дисципліни "Мікроелектроніка"
Керівник: Співоче В.П.
Виконавець: студент Кудашев С.А.
Група: ПЕ - 401
Варіант № 16
Тольятті 2007
Зміст
Завдання на розрахунок
1. Опис роботи схеми
2. Розрахунок схеми
3. Принципова схема
4. Вибір елементів схеми
4.1 Розрахунок відповідності граничних параметрів експлуатації ОУ обраному режиму роботи схеми
5. Складання схем заміщення
Висновок
Список використаних джерел
1. Функціональна схема пристрою
При побудові ДПІ за основу взята схема симетричного мультивібратора реалізована на інтегральному операційному підсилювачі (ОУ) [1]. Функціональна схема ДПІ наведена на малюнку 1.1
Принципова схема мультивібратора наведена на рисунку 1.2
Період перемикань такого мультивібратора визначається постійною часу t інтегруючого RC-ланцюга, глибиною позитивного зворотного зв'язку, вхідними і вихідними опорами підсилювача, його смугою пропускання і коефіцієнтом підсилення. Якщо допустити, що перераховані вище параметри ОУ, такі як вхідний опір, вихідний опір, коефіцієнт посилення (без зворотного зв'язку) і смуга пропускання наближаються до наступних величинам
то для принципової схеми малюнок 1.2
причому для отримання прямокутних імпульсів необхідно, щоб глибина позитивного зворотного зв'язку b задовольняла умові
при виконанні якого перемикання ОУ відбувається лавиноподібно за долі-одиниці мікросекунди [1].
Малюнок 1.1 - Функціональна схема пристрою.
Малюнок 1.2 - Принципова схема.
де U нас - напруга насичення підсилювача, близьке до напруги харчування.
На інвертуючому і неінвертуючий вхід діють позитивні напруги - постійне U сел і змінюється U з (t) і вихідний напруга визначається як
U вих (t) = К о [U сел - U з (t)], (4)
де К о ³ 10 3 ¸ 10 6 - коефіцієнт підсилення.
Ця напруга постійно і однаково U нас до тих пір, поки різниця вхідних напруг позитивна. Як тільки напруги зрівняються: U сел = U с (t), напруга на виході миттєво стає рівним нулю, що тягне за собою і рівність нулю напруги зворотного зв'язку U сел = 0. Але напруга на конденсаторі залишається і не може миттєво зміниться, тому вихідна напруга, рівне посиленому напрузі на інвертуючому вході, стає негативним і рівним напрузі насичення:
U вих = - К о U з (t) = - U нас. (5)
При цьому напруга позитивного зворотного зв'язку U сел також стає негативним. Негативна напруга з виходу через резистор R подається на конденсатор С, раніше заряджений позитивно, і починає його перезаряджати. Процес перезарядки триває до тих пір, поки напруги на інвертуючому і неінвертуючий вхід не зрівняються, внаслідок чого у схемі знову відбувається перемикання.
Для отримання в навантаженні імпульсів напруги тільки позитивного рівня на виході підсилювача підключений діод.
З умови (2) випливає, що R1 »10R2. Приймемо R1 = 12 000 Ом і R2 = 1 500 Ом, тоді
з (1) вираз під логарифмом буде
Підставивши знайдене значення в (1) отримаємо таку залежність періоду T від параметрів времязадающей RC ланцюга.
Для заданих частот виберемо загальний конденсатор такою ємністю щоб найменший опір резистора R (для найвищої заданої частоти) забезпечувало полегшений режим роботи ОУ по струму навантаження, наприклад 1 мА. Опір резистора буде
R = 5 / 1 * 10 -3 = 5000 Ом
Напруга 5 У відповідає моменту перемикання ОУ і є сумою вихідного напрузі ОУ 2,5 В і зарядженого конденсатора -2,5 В.
При обраному опорі проведемо розрахунок ємності для частоти 10 000 Гц по (6)
З = T / 0,446 R = 4,48 * 10 -8 Ф
Тоді для частоти 1000 Гц, також по (6) отримаємо
R '= 1 / (0,446 * 1000 * 4,48 * 10 -8) = 50 кОм
і для частоти 100 Гц
R "= 1 / (0,446 * 100 * 4,48 * 10 -8) = 500 кОм
Вибрали значення ємності зі стандартного ряду, З = 4500 пФ, і провели перерахунок значень опорів для одержання заданих частот
R = 4982 Ом; R '= 49 825 Ом; R "= 498 256 Ом.
З стандартного ряду обрали наступні номінали резисторів для принципової схеми
R3 = 510 кОм; R4 = 47 кОм і R5 = 4,5 кОм.
Підлаштування резистори виберемо з урахуванням перевищення обчислених значень опорів і включимо послідовно з R3, R4, R5. Так
R6 = 50 кОм; R7 = 4,7 кОм і R8 = 1 кОм.
Таблиця 4.1 - Технічні характеристики ОУ.
Конденсатор виберемо типу К21-9 (склокерамічних) з ТКЕ групи МП0 тобто з ємністю незалежної від температури.
Опору візьмемо типу МЛТ з номінальною потужністю 0,125 Вт. Підлаштування типу СП3 - 38 також номінальною потужністю 0,125 Вт. Максимальний струм пропускається резисторами
I max = P ном / U max = 0,125 / 3,2 = 39 мА
дозволяє застосовувати резистори обраної номінальної потужності в схемі.
Підключення навантаження, зробимо послідовно з діодом типу Д9Б, розрахованим на струм (прямий, постійний) 40мА, для отримання на виході тільки позитивних імпульсів.
Для вибору частоти генератора ключі SА1 і SА2 виконали на клавішному перемикачі типу П 2 КЛ з 2-я клавішами.
4.1.2 Максимальний струм на виході ОУ є сумою струмів навантаження I н = 10 мА, ПОС
I сел =
і струму RC ланцюга. Максимальний струм RC протікає в момент перемикання схеми тобто коли відбувається перезарядка конденсатора з рівня U c. max = U сел = U вих * b = 0,35 У вихідним напругою ОС зворотної полярності 3,2 В через мінімальний опір RC ланцюга.
Після підсумовування струмів навантажувальних вихід ОУ отримаємо
I вих. макс = 10 + 0,23 + 0,71 = 10,94 мА
Після проведених розрахунків випливає, що в схемі можна застосувати ОУ До 140 УД 14 параметри якої перевищують максимально можливі режими роботи схеми.
Макс. вхідний диф. напруга, ± В = 13> 0,74, Максимальний вихідний струм, мА = 12> 10,94.
Малюнок 5.1 - Схема заміщення при позитивному напрузі на виході.
Малюнок 5.2 - Схема заміщення при негативному напрузі на виході.
2. Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях. - Л; Вища. Ленінградське відділення, 1988. - 304 с.; Іл.
3. Терещук Р.М. та ін Напівпровідникові приймально-підсилювальні пристрої; Довідник радіоаматора - Київ; Наук. думка. 1989. - 800 с.; Іл.
Тольяттинский державний університет
Кафедра "Промислова електроніка"
Пояснювальна записка до курсової роботи
Генератор прямокутних імпульсів
з дисципліни "Мікроелектроніка"
Керівник: Співоче В.П.
Виконавець: студент Кудашев С.А.
Група: ПЕ - 401
Варіант № 16
Тольятті 2007
Зміст
Завдання на розрахунок
1. Опис роботи схеми
2. Розрахунок схеми
3. Принципова схема
4. Вибір елементів схеми
4.1 Розрахунок відповідності граничних параметрів експлуатації ОУ обраному режиму роботи схеми
5. Складання схем заміщення
Висновок
Список використаних джерел
Завдання на розрахунок
Побудувати генератор прямокутних імпульсів (ДПІ) з видом характеристики типу "меандр". Амплітуда сигналу стандартна для транзисторних-транзисторної логіки (ТТЛ). Встановлена частота ступенями: 100 Гц, 1 000 Гц; 10 000 Гц. Струм навантаження 10мА.1. Функціональна схема пристрою
При побудові ДПІ за основу взята схема симетричного мультивібратора реалізована на інтегральному операційному підсилювачі (ОУ) [1]. Функціональна схема ДПІ наведена на малюнку 1.1
Принципова схема мультивібратора наведена на рисунку 1.2
Період перемикань такого мультивібратора визначається постійною часу t інтегруючого RC-ланцюга, глибиною позитивного зворотного зв'язку, вхідними і вихідними опорами підсилювача, його смугою пропускання і коефіцієнтом підсилення. Якщо допустити, що перераховані вище параметри ОУ, такі як вхідний опір, вихідний опір, коефіцієнт посилення (без зворотного зв'язку) і смуга пропускання наближаються до наступних величинам
то для принципової схеми малюнок 1.2
причому для отримання прямокутних імпульсів необхідно, щоб глибина позитивного зворотного зв'язку b задовольняла умові
при виконанні якого перемикання ОУ відбувається лавиноподібно за долі-одиниці мікросекунди [1].
ПОС |
R, C |
U вих |
Малюнок 1.1 - Функціональна схема пристрою.
R3 |
R4 |
R5 4,5 до |
R8 |
R7 100к |
R6 500К |
SA1 |
SA2 |
C |
VD |
DA |
R1 |
R2 |
Малюнок 1.2 - Принципова схема.
1. Опис роботи схеми
При включенні живлення напруга на виході підсилювача внаслідок неідеальної балансування відрізняється від нуля. Це напруга (наприклад позитивне) з виходу підсилювача через ланцюг позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ), утвореної резисторами R1 і R2 подається на неінвертуючий вхід ОП, посилюється їм, знову подається на вхід і т.д., поки підсилювач не переключиться у стан насичення і напруга на його виході не стане максимально можливим. До інвертує входу ОУ підключений конденсатор С, напруга на якому в початковий момент дорівнює нулю. Після перемикання конденсатор починає заряджатися через опір R, підключений до виходу ОУ і напруга на ньому починає зростати.де U нас - напруга насичення підсилювача, близьке до напруги харчування.
На інвертуючому і неінвертуючий вхід діють позитивні напруги - постійне U сел і змінюється U з (t) і вихідний напруга визначається як
U вих (t) = К о [U сел - U з (t)], (4)
де К о ³ 10 3 ¸ 10 6 - коефіцієнт підсилення.
Ця напруга постійно і однаково U нас до тих пір, поки різниця вхідних напруг позитивна. Як тільки напруги зрівняються: U сел = U с (t), напруга на виході миттєво стає рівним нулю, що тягне за собою і рівність нулю напруги зворотного зв'язку U сел = 0. Але напруга на конденсаторі залишається і не може миттєво зміниться, тому вихідна напруга, рівне посиленому напрузі на інвертуючому вході, стає негативним і рівним напрузі насичення:
U вих = - К о U з (t) = - U нас. (5)
При цьому напруга позитивного зворотного зв'язку U сел також стає негативним. Негативна напруга з виходу через резистор R подається на конденсатор С, раніше заряджений позитивно, і починає його перезаряджати. Процес перезарядки триває до тих пір, поки напруги на інвертуючому і неінвертуючий вхід не зрівняються, внаслідок чого у схемі знову відбувається перемикання.
Для отримання в навантаженні імпульсів напруги тільки позитивного рівня на виході підсилювача підключений діод.
2. Розрахунок схеми
Параметри елементів схеми забезпечує задані частоти імпульсів на виході мультивібратора розрахуємо для принципової схеми малюнок 1.2З умови (2) випливає, що R1 »10R2. Приймемо R1 = 12 000 Ом і R2 = 1 500 Ом, тоді
з (1) вираз під логарифмом буде
Підставивши знайдене значення в (1) отримаємо таку залежність періоду T від параметрів времязадающей RC ланцюга.
Для заданих частот виберемо загальний конденсатор такою ємністю щоб найменший опір резистора R (для найвищої заданої частоти) забезпечувало полегшений режим роботи ОУ по струму навантаження, наприклад 1 мА. Опір резистора буде
R = 5 / 1 * 10 -3 = 5000 Ом
Напруга 5 У відповідає моменту перемикання ОУ і є сумою вихідного напрузі ОУ 2,5 В і зарядженого конденсатора -2,5 В.
При обраному опорі проведемо розрахунок ємності для частоти 10 000 Гц по (6)
З = T / 0,446 R = 4,48 * 10 -8 Ф
Тоді для частоти 1000 Гц, також по (6) отримаємо
R '= 1 / (0,446 * 1000 * 4,48 * 10 -8) = 50 кОм
і для частоти 100 Гц
R "= 1 / (0,446 * 100 * 4,48 * 10 -8) = 500 кОм
Вибрали значення ємності зі стандартного ряду, З = 4500 пФ, і провели перерахунок значень опорів для одержання заданих частот
R = 4982 Ом; R '= 49 825 Ом; R "= 498 256 Ом.
3. Принципова схема
Складемо принципову схему пристрою, де для усунення розкиду параметрів елементів схеми включимо подстроєчниє резистори, а обчислені значення опорів отримаємо шляхом паралельного підключення резисторів до R ".З стандартного ряду обрали наступні номінали резисторів для принципової схеми
R3 = 510 кОм; R4 = 47 кОм і R5 = 4,5 кОм.
Підлаштування резистори виберемо з урахуванням перевищення обчислених значень опорів і включимо послідовно з R3, R4, R5. Так
R6 = 50 кОм; R7 = 4,7 кОм і R8 = 1 кОм.
4. Вибір елементів схеми
Як ОУ виберемо мікросхему К140УД14, для якої напруга живлення можна вибирати в діапазоні ± 5-20 В. Це дозволяє при виборі U піт ± 5В отримати на виході ДПІ позитивні імпульси рівня ТТЛ тобто U 1 = 2,4 В. Технічні характеристики ОУ наведені в таблиці 4.1Таблиця 4.1 - Технічні характеристики ОУ.
| Параметр | Значення |
| Вхідний струм | 5 нА |
| Різниця вхідних струмів | 1 нА |
| Напруга зсуву нуля | 5 мВ |
| Коефіцієнт посилення | 50 000 |
| Максимальна вихідна напруга | 12 В |
| Максимальне вхідний диференціальне напруга | 13 У |
| Напруга живлення | 5 ... 20 В |
| Вхідний опір | 30 МОм |
| Вихідний опір | 10 ком |
Опору візьмемо типу МЛТ з номінальною потужністю 0,125 Вт. Підлаштування типу СП3 - 38 також номінальною потужністю 0,125 Вт. Максимальний струм пропускається резисторами
I max = P ном / U max = 0,125 / 3,2 = 39 мА
дозволяє застосовувати резистори обраної номінальної потужності в схемі.
Підключення навантаження, зробимо послідовно з діодом типу Д9Б, розрахованим на струм (прямий, постійний) 40мА, для отримання на виході тільки позитивних імпульсів.
Для вибору частоти генератора ключі SА1 і SА2 виконали на клавішному перемикачі типу П 2 КЛ з 2-я клавішами.
4.1 Розрахунок відповідності граничних параметрів експлуатації ОУ обраному режиму роботи схеми
4.1.1 Максимальна вхідна диференціальне напруга присутня на вході ОП під час перезарядки конденсатора, коли напруга на неінвертуючий вхід підсумовується з напругою зворотної полярності н-а конденсаторі підключеному до інвертує входу і величина цієї напруги дорівнює подвоєному значенню на неінвертуючий вхід4.1.2 Максимальний струм на виході ОУ є сумою струмів навантаження I н = 10 мА, ПОС
I сел =
і струму RC ланцюга. Максимальний струм RC протікає в момент перемикання схеми тобто коли відбувається перезарядка конденсатора з рівня U c. max = U сел = U вих * b = 0,35 У вихідним напругою ОС зворотної полярності 3,2 В через мінімальний опір RC ланцюга.
Після підсумовування струмів навантажувальних вихід ОУ отримаємо
I вих. макс = 10 + 0,23 + 0,71 = 10,94 мА
Після проведених розрахунків випливає, що в схемі можна застосувати ОУ До 140 УД 14 параметри якої перевищують максимально можливі режими роботи схеми.
Макс. вхідний диф. напруга, ± В = 13> 0,74, Максимальний вихідний струм, мА = 12> 10,94.
5. Складання схем заміщення
При складанні схем заміщення необхідно знати значення опору яке дають у сумі резистори R3 - R8. Скориставшись правилами складання послідовно і паралельно підключених опорів, отримали R екв = 4929 Ом. Відтак на місці вхідного опору ОУ буде розрив, т.к воно на порядок перевищує R екв, а вихідний опір залишається, т.к воно порівнянно з R1 і R2.Малюнок 5.1 - Схема заміщення при позитивному напрузі на виході.
Малюнок 5.2 - Схема заміщення при негативному напрузі на виході.
Висновок
У ході проробленої курсової роботи був розроблений генератор меандру з рівнями ТТЛ із ступінчастою установкою частоти від 100 до 10 000 Гц і струмом навантаження 50 мА, що повністю відповідає завданням на проектування.Список використаних джерел
1. Бобровников Л.З. Радіотехніка та електроніка; Підручник для ВУЗів. -М.; Надра, 1990. - 374с.; З мул.2. Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях. - Л; Вища. Ленінградське відділення, 1988. - 304 с.; Іл.
3. Терещук Р.М. та ін Напівпровідникові приймально-підсилювальні пристрої; Довідник радіоаматора - Київ; Наук. думка. 1989. - 800 с.; Іл.