Обоснование и выбор функциональной схемы устройства

                 

Содержание

 

1. Введение                                                                                           
2. Обоснование и выбор функциональной схемы устройства        
3. Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства          
4. Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства                                                                                       
5. Заключение и выводы по соответствию характеристик и параметров устройства требованиям технического задания     
6. Список используемой литературы                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Генераторы гармонических  колебаний представляют собой устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.

Так как генератор  сам является источником сигнала, он не имеет входа. Генераторы строятся на основе усилителей с цепями положительной обратной связи, которые работают в режиме самовозбуждения на фиксированной частоте. В качестве цепей обратной связи могут использоваться резонансные L-C или R-Cсхемы чему соответствует два типа генераторов.

L-C генераторы обычно используются для формирования радиочастотных сигналов, т.к весогабаритные характеристики элементов колебательных контуров в звуковом диапазоне частот становятся неприемлемыми. В звуковом диапазоне генераторы строятся на базе использования резонансных R-C схем, и в качестве усилителей обычно применяются ОУ

 

 

Обоснование и выбор  функциональной схемы устройства.

Генератор синусоидального напряжения состоит из задающего генератора и усилителя мощности.

 

 

                            

                   

 

 

 

 

 

 

Рис3.5. Функциональная схема  генератора

                            синусоидального напряжения (ГСН)

 

1. коммутируемая частотозадающая цепь (К.Ч.З.Ц.);
2. усилитель (У.);
3. цепь положительной обратной связи (П.О.С.);
4. стабилизатор амплитуды (С.А.);
5. регулятор уровня выходного напряжения (Р.У.);
6. предварительный усилитель (П.У.);
7. усилитель мощности (У.М.);
8. цепь отрицательной обратной связи (О.О.С.);
9. источник питания (И.П.).

От  задающего генератора подается напряжение синусоидальной формы, стабильной амплитуды и частоты на вход усилителя. Обычно во время работы ГСН амплитуда выходного напряжения задающего генератора не меняется и для установки нужной величины напряжения на нагрузке в схему включен регулятор амплитуды. Перестройка частоты задающего генератора производится в пределах какого-либо диапазона плавно, а смена диапазонов производится дискретно.

Обычно плавная перестройка  частоты производится в пределах декады, то есть

где Кп-коэффициент перестройки, -максимальная частота в диапазоне, -минимальная частота в диапазоне.

Учитывая разброс параметров частотазадающих цепей, для гарантированного получения любой частоты, из предусмотренных техническим  заданием, вводят коэффициент запаса, тогда

Величина выходного напряжения задающего генератора в техническом  задании не оговаривается и может  выбираться любой в разумных пределах. Без затруднений можно получить амплитудное значение этого напряжения в пределах 3…10 В.

Тогда при указанной  на рис.3.5 структуре усилителя мощности глубина обратной связи велика, а  значит, он имеет хорошие качественные показатели во всем частотном диапазоне (малые нелинейные искажения, стабильный коэффициент усиления, низкое выходное сопротивление и т.д.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства 

Расчет задающего генератора.

 По стабильности  частоты и ширине частотного  диапазона генерируемого сигнала  на практике наиболее подходящим является генератор с мостом Вина

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получили  4 декады с  учетом коэффициента запаса:

1. 20Гц-200Гц
2. 200Гц-2000ГЦ
3. 2000Гц-20000Гц
4. 20000Гц-200000Гц

С учетом коэффициента запаса:

1) 18Гц-220Гц

2) 180Гц-2200Гц

3) 1800Гц-22000Гц

5. 18000Гц-220000Гц

При использовании моста  Вина в качестве частотно-задающей цепи генератора для выполнения условий  самовозбуждения необходимо:1 чтобы  мост Вина включался в цепь положительной обратной связи.

                                                                                                 2 чтобы  коэффициент передачи  усилителя на частоте резонанса  моста Вина был не <3

Для управления частотой выходного напряжения в качестве резисторов могут использоваться сдвоенные потенциометры. Учитывая, что динамический диапазон регулировки редко >20 дБ для его расширения помимо переменных резисторов могут использоваться наборы конденсаторов с декадно-переключаемым номиналом, т.о может быть осуществлено широкополосное регулирование.

Резонансная частота  моста Вина

Зададимся С=1000пФ тогда R=1/(2*3.14*200000*0.1*1000*10^-12)=7957Ом

Тогда 0,1R=795.7Ом, 0,9R=7161.9Ом

В цепи отрицательной  обратной связи могут использоваться полевые транзисторы,  работающие на начальных участках выходных характеристик.

Выбираем полевой транзистор с n-каналом, так чтобы Rк.>1кОм при Uзи=-1В.

В качестве такого транзистора  берем КП323А-2 (см.приложение), у которого Rк=5В/2,5mA=2кОм при Uзи=-1В

Кu=1/Кuоос=1/3. Следовательно, R2||Rк/(R2||Rк+R3)

Получаем  R2=2кОм, R3=2кОм

Зададимся. С=10мкФ, тогда R*=1МОм R4=1000кОм/100=10кОм

Выбираем диод, работающий на Д101

В качестве ОУ берем 140УД23

Расчет регулятора уровня

Регулятор уровня выбираем исходя из следующих

условий: регулятор является выходным сопротивле-

нием ОУ,т.е должно быть больше либо равно 2кОм

,с другой стороны   сопротивление регулятора

 уровня должно быть  на порядок меньше,

чем входное сопротивление  усилителя 

мощности, т.е меньше чем 50кОм.

Т.к уровень регулировки  сигнала составляет 50%,

то номиналы сопротивлений  будут одинаковы. 

Uвых=Uвх*R2/(R1+R2)

Uвых/Uвх=1/2

R1=R2=2кОм

 

 

Расчет усилителя мощности

 

 

Усилитель мощности состоит  из предварительного усилителя, оконечного каскада и цепи общей обратной связи. Схема усилителя мощности представлена на рисунке.

 

 

 

 

 

 

Предварительный усилитель  выполняем на операционном усилителе.

Коэффициент усиления усилителя мощности определяется как Ки=Uвых/Uвх=20/3=6, Uвх принимаем 3В.

Коэффициент усиления оконечного каскада определяем как Киок=Uвых/10=2, где 10 это выходное напряжение операционного усилителя.

Получаем коэффициент усиления ОУ без обратной связи Ки/Киок=6/2=3

Операционный усилитель выбираем по частотной характеристике при  наличии обратной связи и скорости нарастания выходного напряжения во времени

Скорость нарастания выходного  напряжения =2*3,14*200000*10=12,5В/мкс

Глубина обратной связи  Ки=0,166

Коэффициент усиления усилителя мощности с отрицательной обратной связью

К= , где Кf=10%, коэффициент нелинейных искажений без обратной связи, -коэффициент нелинейных искажений с учетом отрицательной обратной связи. К=(10/0,2-1)/0,166=295,тогда коэффициент усиления операционного усилителя с учетом ООС Коу=295/2=147,5

Т.о на частоте 200000 коэффициент  усиления ОУ Коу>43дБ

Частота среза f1>fm*Ки=1,2МГц

Данным требованиям отвечает 140УД23 с параметрами 

Uп=15В, Rн=2кОм, Uвых.макс=10В, входной ток Iвх=0,2нА, частота единичного усиления f1=10МГц, Vuвых.макс=30В/мкс.

Зависимость коэффициента усиления от частоты приведена в приложении.

Для питания ОУ устанавливаем стабилизаторы  на стабилитронах КС515 с 

Uст=15В при токе стабилизации Iст=5мА, в этом случае падение напряжения на резисторах R будет определяться как UR=22-15=7В

                                                                       IR=Iоу+Iст=10+5=15мА

                                                                        R=7/15=466.6Ом

                                                                        P=U*I=7*15*10^-3=0.105Вт

 

Расчет оконечного каскада

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходной каскад может  быть выполнен по трансформаторной и  бестрансформаторной  схеме. Критерием для принятия решения может служить соотношение между остаточным напряжением на транзисторе при максимальном токе нагрузки и амплитудой напряжения на нагрузке.

При следует отдавать предпочтение трансформаторному каскаду.  

Выбор транзисторов для  выходного каскада усилителя  мощности производят по рассеиваемой в нем мощности, граничной частоте  усиления и допустимым напряжениям  и токам.

Для выходного каскада  усилителя, работающего с двумя  источниками питания, напряжение каждого источника выбирается из условия Ек=Uвых.макс+Uост

Ек=20+2=22В

Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде  примерно равно удвоенному напряжению питания:Uкэюмакс=2*22=44В

Наибольшая мощность, выделяемая в каждом транзисторе  выходного каскада для синусоидального сигнала равна

Определяем Rн

Ом. Тогда Рк.макс= =7,85Вт

Выбор транзисторов по току

А

Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемой полосе пропускания всего усилителя. Граничная частота усилителя

fгр.=2…4fмакс=4*200000=800кГц

Выбираем пару комплиментарных  транзисторов КТ 853-КТ829, которые имеют  параметры Uкэм=45-100В, Iк=8А, Рк=60Вт,

Уточняем Uост=1,5В, тогда,   Следовательно, стоит отдать предпочтение бестрансформаторному каскаду.

По полученной мощности рассчитываем площадь радиатора  по формуле

=123,045кв.см

где Кт-коэффициент теплоотдачи, зависящий от материала, конструкции и способа обработки теплоотвода.

Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимают  Кт=0,8*10^-3Вт/С*кв.см

tп-температура перехода, обычно ее принимают на 5…10 градусов ниже предельно допустимой

tc-температура среды, максимальная температура по заданию

Rпп-тепловое сопротивление переход-корпус

Rкк-тепловое сопротивление корпус-теплоотвод.

Выбираем Iко=0,05Iк.макс=0,08А

Ток базы определяем следующим  образом Iб.макс=Iк.макс/ =2мА

Напряжение база-эмиттер максимальное определяет по входным характеристикам транзисторов.Uбэ=1,7В (см.приложение)

Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторов определяем по формуле: =752Ом, где Uбэ.откр=1В

Мощность, рассеиваемая на резисторе Р= =3,61мВт

Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:

Uкэ.макс=32В, Iк.VT1.макс=Iб.VT3.макс=Iк.VT3.макс/ =2мА, Рк.макс=Uкэ.макс*Iк.макс=0,064Вт

Этим требованиям отвечает пара комплиментарных транзисторов КТ3102-КТ3107, имеющих:Uкэ.макс=40В, Iк=100мА, Рк=150мВт,

Резисторы R8 и R9 определяют коэффициент усиления, поэтому R9/(R8+R9)=1/Киок=1/2

R9=R8

Ток через резисторы R9 и R8 должен быть на порядок больше чем ток базы выходного транзистора IR8,R9 >10Iб.ок

Uвых/(R8+R9)>10Iб.ок

Uвых/10Iб.ок>R8+R9

1кОм>R8+R9

R8=R9=500Ом

Цепь смещения рассчитываем из условия покоя каскада

Iко=0,08А

Iб.п.ок= Iко/ =100мА/750=130мкА, (берем ток покоя коллектора примерно равным 100мА)

Ток базы покоя оконечного каскада является током покоя  коллектора предоконечных транзисторов, т.е. Iк.VT1.п.=Iб.VT3+IR7

IR7=Uб.э.п.ок/R7=1.1/820=1.3мА(напряжение база-эмиттер покоя оконечного каскада находим по входным характеристикам транзистора VT3)

Iк.VT1.п.=1,4мА

Iб.VT1.п= Iк.п.VT1/ =1.4*0.001/60=23мкА

По входной характеристике транзистора VT1 определяем напряжение база-эмиттер покоя, которое равное прямому падению напряжения на диодах.

Uпр.=Uбэ.п.=0,6В(при Iпр.>10Iб.п.VT1, Iпр.=0,23мА)

Подбираем диод КД228, имеющий  следующие характеристики:

Iпр.макс=7,5А

Uпр.макс=0,65В

Рассчитаем резисторы R5 и R6

IR5=Iб.п.VT1+Iд.=0,25мА

UR5=Eк-Uб.э.п.VT1=22-0.6=21.4В

R5=21.4/0.25мА=85,6кОм

РR5=21.4*21.4/85600=0.00535Вт

Сопротивление R1 определяет входное сопротивление усилителя мощности, и должно составлять порядка 10кОм. Берем R1=47кОм, т.к. это сопротивление рекомендовано для большинства усилительных устройств.

R3=47кОм (для того чтобы не было разбаланса)

РR1=Uвх^2/Rн=0,1914мВт

PR3=6.148мВт

Сопротивление R2 определяет коэффициент передачи УМ в целом,

мы задались =1/Ки=0,15

R2/(R2+R3)=0.15

R2=8294Ом

Напряжение на инвертирующем  входе равно напряжению на неинвертирующем и равно 3В

Р=U^2/R=0.001Вт

Конденсатор С1 выбираем из условия, что C1 и R1 высокочастотный фильтр первого порядка, =R1*C1>1/2* *fн

С1=0,17мкФ

 2=C2*R2>1/2* *fн

С2=6мкФ

 

 

Расчет источника питания