КУРСОВАЯ РАБОТА | ||||
Расчет релаксационного генератора на ИОУ | ||||
План
1.Техническое задание | 3 |
2.Генераторы | 3 |
3.Форма импульсов | 5 |
4.Схема мультивибратора | 7 |
4.Выбор параметров | 11 |
5.Элементы схемы | 14 |
6. Вывод | 15 |
7. Список литературы | 16 |
Техническое задание
Разработать и рассчитать релаксационный генератор на ИОУ (интегральной схеме операционного усилителя) в соответствии с данными:
- вид генератора - мультивибратор
- режим работы – автоколебательный
- период следования импульсов Т, мс – 0.09
- длительность выходного импульса tu, мкс – 35
- длительность фронта выходного импульса , мкс -
Проанализировать нестабильность длительности генерируемых импульсов разработанного релаксационного генератора в зависимости от разброса параметров навесных элементов.
Генераторы
Генераторы являются неотъемлемой частью почти любого электронного устройства. Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ (накопители на магнитной ленте или магнитных дисках, устройство печати, алфавитно-цифровой терминал), почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с “многократным отображением”) и во множестве других устройств.
Кроме очевидных случаев автономных генераторов (а именно генераторы синусоидальных сигналов, генераторы каких-либо функций, импульсные генераторы) источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими колебаниями.
Устройство без генератора либо, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор).
Функции, которые выполняет генератор многообразны. В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов (“часы” в цифровой системе); от него может потребоваться стабильность и точность (например, опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приемника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы (как например, генератор горизонтальной развертки осциллографа).
Возможность построения мультивибратора на ИОУ (интегральный операционный усилитель) обусловлена тем, что при соединении выхода ИОУ с его неинвертирующим входом получаем замкнутую резисторную или резисторно-конденсаторную цепь положительной обратной связи, обеспечивающую возможность возникновения лавинообразных процессов.
При этом напряжение на выходе ИОУ меняется скачкообразно от своего максимального до минимального значения и наоборот – при изменении знака напряжения входного дифференциального сигнала.
В импульсных устройствах широкое применение находят генераторы, выходное напряжение которых имеет форму, резко отличающуюся от синусоидальных. Колебания такой формы носят название релаксационных и бывают прямоугольными, пилообразными, пилообразно-импульсными и т.д.
Мультивибратор является релаксационным генератором. Он может работать в режиме автоколебаний, либо в ждущем режиме.
В режиме автоколебаний он не имеет состояния устойчивого равновесия. При работе мультивибратора в этом режиме существуют два чередующихся состояния квазиравновесия. Состояние квазиравновесия характеризуется сравнительно медленным изменением токов и напряжений, приводящих к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода мультивибратора из одного состояния в другое. Период колебаний при этом зависит от параметров схемы.
В ждущем режиме мультивибратор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого во второе происходит в результате воздействия внешних запускающих импульсов, а возвращение в устойчивое состояние - самостоятельно по истечении некоторого времени, зависящего от параметров схемы.
Форма импульсов
Итак, мультивибратор – это релаксационный генератор, вырабатывающий импульсы почти прямоугольной формы (рис. 1). При выборе схемы реализации данного устройства мы будем стараться найти оптимальный вариант между простотой, низкой стоимостью и исходными данными задания.
Найдем скважность генерируемых импульсов:
(1) |
где Т=0,09 мс – период следования импульсов
tu=35 мкс – длительность выходного импульса
В нашем случае требуется получить генерируемые импульсы большой скважности , следовательно, цепь заряда конденсатора должна отличаться от цепи разряда.
Схема мультивибратора
Схема выбранного мультивибратора представлена на рис. 2.
В данном случае положительная обратная связь обеспечивается делителем напряжения на резисторах R1, R2.
В момент t=0 включается источник питания ИОУ. При этом начинает возрастать , а следовательно, и напряжение, снимаемое с делителя R1, R2 и поданное на вход
, что вызывает дальнейшее увеличение выходного напряжения
, т.е. происходит лавинообразный процесс, в результате которого
скачкообразно возрастает до значения
(это первое состояние квазиравновесия), а
- до значения
, где
(2) |
Напряжение при этом практически не изменяется и равно нулю.
С увеличением t за счет заряда конденсатора через резистор увеличивается напряжение
по экспоненциальному закону
до значения Е.
В момент времени . При этом
уменьшается лавинообразно, меняя полярность на противоположную. В результате окончания этого лавинообразного процесса
, а
.
Конденсатор начинает разряжаться через резистор и стремится перезарядиться до напряжения
.
В момент, когда при перезагрузке конденсатора напряжение достигает значения
, вновь возникает регенеративный процесс, завершающийся переключением схемы во второе состояние квазиравновесия.
Таким образом, периодически происходит переход из одного состояния квазиравновесия в другое.
Первый импульс имеет меньшую длительность , т.к он формулируется при зарядке конденсатора от нуля до
, и определяется по формуле:
, где
Последующие импульсы определяются по формуле:
(3) |
Период следования импульсов в нашем случае равен:
| (4) |
где и
- сопротивления зарядного и разрядного резисторов соответственно.
Синфазный сигнал мал и
, а максимальный дифференциальный сигнал
.
При выборе интегральной схемы операционного усилителя (ИОУ) необходимо обратить особое внимание на тот факт, что во избежании выхода из строя ИОУ требуется выполнение условия , следовательно,
, где
- допустимый дифференциальный сигнал.
Выбор резисторов и
с одной стороны должен обеспечивать выполнение вышеуказанного условия для
, а с другой стороны – обеспечивать требуемую по заданию длительность генерируемого импульса
по формуле (3).
Выбор параметров
Используя на результаты теоретической части данной работы, выберем ИОУ, удовлетворяющий основным требованиям задания и выбранной схемы реализации мультивибратора, а также произведем расчет отдельных элементов схемы обеспечивающих выполнение требуемых параметров устройства.
Выберем К574УД1 – быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе. Обладает высоким входным сопротивлением, большой частотой единичного усиления и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.
Допустимые значения параметров:
E=15, B
Uвых мах=10, В
Uсф м=10, В
Кu=50000
Rвх=10000 МОм
Rвых=1 кОм
Vu вых=90 в/мкс
1) Согласно теоретической части работы:
, следовательно
, также
2) Подберем параметры резисторов R1 и R2.
Реальные значения и
оказывают влияние на длительность и форму генерируемых импульсов. Однако это влияние незначительно, если
сопротивления резисторов R1 и R2 удовлетворяют неравенствам:
Следовательно, R1 и R2 должны лежать в пределах от
1 кОм до 10000 МОМ, а также должно выполняться .
Возьмем кОм и
кОм
условие выполнено.
3) Подберем параметры для времязадающей цепи:
Чем меньше , тем быстрее происходит перезаряд конденсатора и тем выше частота выходного сигнала.
Однако следует иметь в виду, что при малых значениях постоянной времени может наблюдаться явление возбуждения паразитных колебаний. Для обеспечения устойчивости генерации коротких импульсов целесообразно использовать наиболее рациональный путь – уменьшение коэффициента связи по неинвертирующему входу при значениях времязадающей цепи, превышающих критическую величину. При этом стабильная работа мультивибратора наблюдается при значениях
.
с
Необходимо подобрать параметры ,
и
таким образом, чтобы выполнить равенство.
с.
Выберем Ом ,
Ом ,
Ф учитывая, что на разряд конденсатора времени должно уйти больше чем на заряд.
с.
мс.
4) Длительность фронтов выходных импульсов в рассматриваемом мультивибраторе зависят от предельной скорости вых нарастания выходного напряжения используемой микросхемы операционного усилителя:
, у нас по условию задания
мкс.
условие выполнено.
Длительность фронта выходного импульса . Чем меньше отношение
тем форма импульса ближе к прямоугольной.
Элементы схемы
№ п/п | Обозначение | Тип | Количество |
1 | Резистор МЛТ-0,5 – 1.3 кОм 5% | 1 | |
2 | Резистор МЛТ-0,5 – 3.6 кОм 5% | 1 | |
3 | Резистор МЛТ-0,5 – 9.1 кОм 5% | 1 | |
4 | Резистор МЛТ-0,5 – 4.7 кОм 5% | 1 | |
5 | Конденсатор К1030 – 0.01 мкФ | 1 | |
6 | Операционный усилитель К574УД1 | 1 |
Вывод
Задача данной курсовой работы была разработка релаксационного генератора на ИОУ. Первоначально был изучен теоретический материал, а затем в соответствии с ним сделаны расчеты.
Был выбран ИОУ, удовлетворяющий основным требованиям задания и выбранной схемы реализации мультивибратора, а также произведен расчет отдельных элементов схемы обеспечивающих выполнение требуемых параметров устройства.
Был выбран быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе - К574УД1.
Подобраны параметры резисторов R1 и R2.
кОм и
кОм
Были выбраны параметры для времязадающей цепи:
Учитывая, что на разряд конденсатора времени должно уйти больше чем на заряд:
Выберем Ом ,
Ом ,
Ф
Длительность фронта выходного импульса . Чем меньше отношение
тем форма импульса ближе к прямоугольной.
Таким образом были приобретены знания об основных свойствах интегральных операционных усилителей, используемых при построении импульсных генераторов различного назначения, в частности с использованием в данной курсовой работе ИОУ К574УД1.
Список литературы
- П. М. Грицевский, А. Е. Мамченко, Б. М. Степенский Основы автоматики, импульсной и вычислительной техники. - М.; “Радио и связь”, 1987г.
- П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники-1 – М.; “Мир” 1993 г.
- Справочник: Интегральные микросхемы. Операционные усилители Том I. – М.; ВО “Наука” 1993г.