Генератор пилообразного напряжения

Реферат

 

Курсовой проект выполнен в объеме 32 страниц, содержит двенадцать рисунков, использовано 4 источника. Разработанный  генератор пилообразного напряжения  может быть использован в контрольно-измерительной  аппаратуре, в цифро-аналоговых преобразователях и т. п.  При проектировании были разработаны и рассчитаны интегратор на ОУ, симметричный мультивибратор, ключевое устройство и эмиттерный повторитель. Полученные параметры выходных значений напряжения и тока удовлетворяют требованиям техническому заданию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание 

 

Введение	2
1 Основная часть	3
1 Выбор и обоснование структурной  схемы устройства	3
1.1 Общая характеристика и принципы построения генераторов	3
1.2 Структурная схема генератора пилообразного напряжения	5
2 Расчетная часть	7
2.1 Выбор и обоснование принципиальной  схемы устройства	7
2.1.1 Простейший генератор пилообразного  напряжения (ГПН)	7
2.1.2 Классификация ГПН со стабилизаторами  тока	10
2.1.3 Генераторы пилообразного напряжения  на операционных усилителях. Содержание схемы разрабатываемого устройства	12
2.2 Расчет элементов устройства, выбор типов и номиналов.	18
2.2.1 Расчет токостабилизирующего  элемента (ТСЭ)	18
2.2.2 Расчет симметричного мультивибратора  на ОУ (СМВ)	20
2.2.3 Расчет ключевого устройства (КУ)	21
2.2.4 Расчет эмиттерного повторителя	22
2.2.5 Расчет коэффициента полезного  действия КПД	25
3 Конструкторская часть	26
Заключение	28
Список используемых источников	29

Введение

 

Электроника является универсальным  и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся  необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Сфера применения электроники постоянно  расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система  оснащена электронными устройствами. Трудно назвать технологический  процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств  электроники становятся все более разнообразными. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает с связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.

Электроника имеет короткую, но богатую  событиями историю, которая составляет чуть более 100 лет. Путь пройденный от вакуумных  приборов до сверхбольшой однокристальной  микросхемы содержащей десятки миллионов транзисторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная часть

1. Выбор и  обоснование структурной  схемы  устройства

1.1 Общая характеристика  и принципы построения генераторов

 

Импульсы напряжения пилообразной формы могут быть как положительной, так и отрицательной полярности. На рисунке (1.1.1) показана реальная форма пилообразного импульса положительной полярности.

Рисунок 1.1.1

 

Важнейшим параметрами пилообразных импульсов являются: длительность прямого (рабочего) хода tпр, длительность обратного хода tобр, период повторения Т, амплитуда импульса Um. Поскольку строго линейный закон изменения напряжения U(t) получить невозможно, степень отклонения этого напряжения от линейного закона характеризует закон нелинейности:

 

ε=    (1.1.1)

 

Где |u`(t)|t=0  и | u`(t)| t=tпр – соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода. В ждущем режиме имеется еще длительность паузы tп, в течение которой u(t)=const.

В практических схемах генераторов пилообразного напряжения tпр находятся в пределах от десятых долей микросекунды до десятков секунд, tобр – от 1 до 20% от tпр, U_m – от единиц до тысяч вольт. Значение ε так же зависти от назначения схемы и допускается (например, в осциллографии) до 10%.

Параметром, характеризующим схему  генератора импульсов, является коэффициент  использования напряжения источника  питания E, под которым понимают отношение:

 

ξ=U_m/E     (1.1.2)

 

Простейший принцип получения  пилообразного напряжения основан  на процессе заряда или разряда конденсатора C через резистор R (рис.1.1.1,б). Если ключ S разомкнут, то конденсатор заряжается от  источника постоянного напряжения E. При этом напряжение на конденсаторе U_c (выходе схемы), стремясь к асимптотическому уровню E (см.рис.1.1,а), изменяется по экспоненциальному закону:

U_c=E(1-e ^-t/RC).                                      (1.1.3)

 

Замыкание ключа S приводит к быстрому разряду конденсатора. Скорость разряда конденсатора зависит от сопротивления ключа в замкнутом состоянии. Затем процесс повторяется. Прямой ход пилообразного напряжения в этой схеме формируется при разомкнутом ключе, а обратный при – замкнутом. Таким образом, для реализации этого принципа генератор должен содержать зарядное или разрядное устройство, интегрирующий конденсатор или ключ.

Взяв производные du_c/dt выражения (1.1.3) при t = 0 и t = t_пр и подставив их в формулу (1.1.1), для коэффициента нелинейности получаем:

                   ε = 1-e ^-tпр/RC.                                        (1.1.4)

Так как при t = t_пр, u_c = U_m, то, согласно равенству (1.1.3),

U_m = E (1-e ^-tпр/RC),

или, с учетом выражения (1.1.2),

   ε=U_m/E=ξ.                            (1.1.5)

Следовательно, высокую степень  линейности пилообразного напряжения (малое ε) можно получить при условии  E >>U_m. Это приводит к плохому использованию напряжения источника питания. Например, при U_m = 10В и ε=1% E = 1000В.

Известно, что напряжение на конденсаторе U_c связано с протекающим через него током i_c соотношением:

u_c=1/c

.

Если i_c = I = const, то u_c = It/C = kt изменяется во времени по линейному закону. Следовательно, для получения пилообразных напряжений, изменяющихся с отклонениями от линейного закона, которые во много раз меньше, чем аналогичные отклонения в схеме (рис.1.1.1,б), необходимо, чтобы зарядный ток конденсатора был постоянен. Для этих целей применяют токостабилизирующие элементы (ТСЭ), ток которых не зависит от приложенного напряжения. Схема получения пилообразного напряжения с зарядным ТСЭ показана на рис.1.1.1,в.

Реально не существует элементов или двухполюсников, которые обеспечивали бы идеальную зависимость u_c=kt. Однако, если использовать в качестве ТСЭ коллекторно-эмиттерную цепь транзистора, коллекторный ток которого на рабочем участке характеристики почти не зависит от коллекторного напряжения, то напряжение на конденсаторе с определенной степенью приближения можно считать линейно изменяющимся.

Одним из способов стабилизации тока заряда или разряда конденсатора является применение в схеме генератора обратных связей.

1.2 Структурная  схема генератора пилообразного  напряжения

 

На основе проведенного анализа  принципов построения  генераторов  выбрана  структурная схема генератора в ждущем режиме, управляемый отдельным  входным напряжением (импульсами). Такого рода выбор обусловлен, возможностью такого генератора достаточно просто регулировать длительность рабочего хода и частоты следования выходных импульсов путем изменения параметров управляющего сигнала не затрагивая схему самого формирователя ЛИН.

Согласно принципам построения генераторов пилообразного напряжения структурная схема должна состоять из следующих элементов:

1) Токостабилизирующий элемент  (ТСЭ), обеспечивающий постоянный  во времени  ток заряда конденсатора  C.

2)  Конденсатор С, на котором  формируется линейно изменяющиеся напряжение.

3) Ключевое устройство (КУ), с помощью  которого  осуществляется переключение  формирования прямого и обратного  хода выходного напряжения.

4) Формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий импульсные сигналы  управления ключевым устройством (задающий длительность рабочего хода и частоту следования выходных импульсов пилообразного напряжения).

5) Эмиттерный  повторитель, согласующий большое  сопротивление нагрузки ОУ с  малым сопротивлением нагрузки  генератора.

Рисунок 1. Структурная схема устройства

 

 

2 Расчетная  часть

2.1Выбор и обоснование  принципиальной схемы  генератора  пилообразного напряжения

2.1.1 Простейший  генератор пилообразного напряжения (ГПН)

В простейшем случае, когда не требуется  высокая линейность рабочего участка  выходного напряжения, применяют заряд (рисунок 2.1,а) или разряд конденсатора через резистор R. После размыкания ключа Кл конденсатор заряжается по закону

u=E(1-e ^-t/τ), где τ=RC.

Если во время рабочего хода использовать лишь начальный участок экспоненты, т.е. при t_раб<<τ, или, другими словами, при U_m<<E, можно считать u(t) при 0≤t≤t_раб линейно изменяющимся напряжением. Учитывая, что i_нач=E/R, а i_кон=(E-U_m)/R, находим согласно (1.1.1) коэффициент нелинейности:

ε=U_m/E.       (2.1)

Можно определить ε и по формуле

ε=U_m/E=1-e^-tраб/τ≈ t_раб/τ.

Из (2.1) следует, что коэффициент  нелинейности ε оказывается равным U_m/E. Обычно это соотношение называется коэффициентом использования источника питания. При этом для получения достаточно малого значения ε приходится выбирать значение E во много раз большим амплитуды U_m т.е. плохо использовать напряжение источника питания. Таким образом, простейшая схема с зарядом или разрядом конденсатора через резистор оказывается пригодной лишь при сравнительно невысокой линейности (примерно 10%).

 

 

 

Принципиальная  схема простейшего ГПН с транзисторным  ключом и соответствующие временные  диаграммы напряжения приведены  на             (рисунок 2.1,б,в).

В исходном состоянии, при t<t`, транзистор насыщен и ток базы I¹_б≈E_н/R_б>I_б.н=I_к.н/β=E_к/βR_к. Предполагается, что R_г>>R_вх (R_вх – входное сопротивление открытого транзистора, выходное напряжение u=u_к.н≈0).

Формирование  рабочего хода происходит в интервале  времени tраб, когда транзистор заперт благодаря воздействию отрицательного входного импульса (в действительности, начало рабочего хода оказывается задержанным относительно момента t` на значение t₃⁰¹, обусловленное процессом рассасывания заряда из базы насыщенного транзистора, но обычно  t₃⁰¹<<t_раб и на временной диаграмме этот интервал не показан). В конце рабочего хода (момент t``) напряжение на выходе (и на коллекторе транзистора) примерно равно U_m, причем U_m<U_к.доп. Однако при случайном увеличении длительности управляющего импульса или обрыве в цепи конденсатора C возможен пробой транзистора (обычно E_к>>U_m); для предотвращения пробоя включается фиксирующий диод Д_ф; при напряжении u≥Е_ф(U_m<E_ф<U_к.доп) отпирается диод и фиксируется коллекторное напряжение на уровне E_ф (при u<Еф диод закрыт). Коэффициент нелинейности согласно (2.1) ε=U_m/E_экв, где из-за наличия сопротивления   R_н, учитывающего сопротивление нагрузки и выходное сопротивление закрытого транзистора, Е_экв=Е_кR_н/(R_к+R_н) (влиянием тока I_к.0 пренебрегаем, так как Е_к>>RI_к.0).

ε=

    (2.2)

Рисунок 2.1

 

Из (2.2) видно, что сопротивление нагрузки оказывает существенное влияние на коэффициент нелинейности и в этом заключается еще один недостаток рассматриваемого ГПН. Только R_н>>R_к имеем ε≈U_m/E_к.

Обратный ход  формируется после прекращения  действия входного импульса; при t>t`` транзистор отпирается и, хотя ток базы I¹_б большой, он работает в активном режиме, так как напряжение на коллекторе благодаря наличию конденсатора не изменяется скачком. Конденсатор разряжается практически постоянным током i_Сразр=β I¹_б-i_R ≈β I¹_б, так как i_R≈I_к.н< β I¹_б; длительность обратного хода

t_обр≈ ≈     (2.3)

 

Учитывая что длительность рабочего хода

t_обр≈ ≈ ≈    (2.4)