7145

Исследование RC - автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Исследование RC - автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина Задание к курсовой работе: Задать номер варианта следующим образом: N=M M - две последние цифры номера зачетной книжки. Значение N определить по форму...

Русский

2013-01-17

1.76 MB

88 чел.

Исследование RC – автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина

Задание к курсовой работе:

  1.  Задать номер варианта следующим образом:

 N=M; M – две последние цифры номера зачетной книжки.

Значение N определить по формуле:

 N = MK*25, где К = 1,2,3…

при M=00, принимается N=26

  1.  Частота генерации Fг = 1,5·N = 1,5·26 = 39[Гц].
  2.  Структура RC автогенератора с мостом Вина- выполнить на операционном усилителе  К574УД1.
  3.  Температура окружающей среды от 510С (-25 – N) до 560С (+30+N).
  4.  Создать модель операционного усилителя.
  5.  Провести анализ АЧХ операционного усилителя.
  6.  Исследовать режим генерации колебаний RC – автогенератора.
  7.  Провести спектральный анализ генерируемых колебаний.
  8.  Провести анализ влияния температуры на форму и спектральный состав генерируемых колебаний.
  9.  ====Исследовать влияние величины отрицательной обратной связи на генерацию колебаний.

Срок защиты курсового проекта ____________________________________

Руководитель                    _________________________________Мушта А.И.

Подпись, дата                                              инициалы, фамилия

Задание принял студент   _________________________________Козлов С. В.

Подпись, дата                                              инициалы, фамилия


Содержание

Введение

  1.  Принципиальная схема автогенератора низкочастотных гармонических колебаний с мостом Вина, пояснение назначения каждого элемента.
  2.  Некоторые положения схемотехнического моделирования аналоговых устройств.
  3.  Создание модели операционного усилителя.
  4.  Анализ АЧХ операционного усилителя.
  5.  Генерация гармонических колебаний.
  6.  Исследование спектра генерируемых колебаний.
  7.  Исследование влияние температуры на форму и спектральный состав генерируемых колебаний.
  8.  Исследование влияния величины ООС на генерацию колебаний

Заключение

Библиографический список


Введение

Для передачи сигналов электросвязи необходимо иметь генератор электрических колебаний высокой частоты - устройство, преобразующее энергию источника постоянного напряжения в энергию колебаний. Существуют генераторы с внешним возбуждением, в которых незатухающие колебания получают от внешнего источника, и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы), для которых внешний источник не нужен. Колебания, получаемые в автогенераторах, называют автоколебаниями. Эти колебания могут быть гармоническими (синусоидальными) или релаксационными (несинусоидальными). Автогенераторы применяют не только в передающей, но и в приемной аппаратуре: в преобразователях частоты, демодуляторах и т.д. Независимо от назначения автогенераторов, они должны удовлетворять следующим общим требованиям: иметь достаточно высокое постоянство (стабильность) частоты колебаний и выходной мощности, а также возможно близкую к синусоидальной форму выходного напряжения.

В настоящее время разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Математическое моделирование осуществляют с использованием средств и методов вычислительной техники. По схемотехническому моделированию, на этапе начального освоения методов автоматизированного проектирования целесообразно использовать следующие программы: OrCad 10, DesignLab 8.0, Electronics Workbench (EWB 6.20).

В данной курсовой работе для исследования режимов работы RC - автогенератора с мостом Вина будем использовать РSрice А_D  из пакета программ OrCad.


  1.  Принципиальная схема автогенератора низкочастотных гармонических колебаний с мостом Вина, пояснение назначения каждого элемента

Генератором гармонических колебаний — называют устройство, которое преобразует энергию источника питания в энергию гармонических колебаний.

Если для поддержания гармонических колебаний на выходе генератора не требуется внешний возбуждающий сигнал на его входе, то такой генератор называют генератором гармонических колебаний с самовозбуждением или автогенератором (АГ).

Для генерации колебаний высокой частоты используются LC – автогенераторы, для генерации колебаний низкой частоты – RC – автогенератор.

При проектировании генераторов, с использованием LС - элементов для низкочастотного диапазона пришлось бы существенно увеличивать значения индуктивностей и ёмкостей колебательных систем, что с конструктивной точки зрения крайне нецелесообразно. Практически все современные RС-генераторы малой и средней мощностей строятся с использованием операционных усилителей.

Рис. 1 Автогенератор на операционном усилителе с трехзвенным RC-фильтром

Схема автогенератора на операционном усилителе с фазосдвигающей RC- цепью в виде трехзвенного RC- фильтра приведена на рис.1. Выбор количества звеньев обусловлен тем, что каждое звено фильтра должно повернуть фазу колебания, подаваемого на вход операционного усилителя, на 180\N, где N-число звеньев фильтра.

Из схемы видно, что это усилитель, между выходом и входом которого включена цепь, которая переворачивает фазу сигнала на 180º. Эта цепь называется фазовращающей. Фазовращающая цепочка состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3. С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Для колебаний остальных частот условия самовозбуждения выполняться не будут и они, соответственно, быстро затухают. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Помимо рассмотренного генератора с использованием фазовращающей цепи имеется ещё наиболее часто используемый вариант. Он приведен на рис.2.

Рис. 2 - Пассивный полосовой RC-фильтр с частотно-независимым делителем

На рисунке 2 изображен мост Вина-Робинсона, или просто мост Вина. Левая часть моста Вина представляет собой пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение. Правая часть - частотно-независимый делитель. Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. При этом должно выполнятся условие:

R3=2R4

Поскольку каждый реальный элемент моста Вина имеет некоторый разброс параметров, даже незначительное несоблюдение условия R3=2R4 приведет либо к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя , либо к затуханию колебаний или полной их невозможности.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если резисторы R1 и R2 заменить переменным, но только сдвоенным резистором, то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации. Можно и конденсаторы С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором плавно регулировать частоту в диапазонах.

Принципиальная схема автогенератора с мостом Вина изображена на рис. 3.

Рис.3  Принципиальная схема RC-автогенератора с мостом Вина.

Автогенератор содержит два транзистора VT1и VT2, на которых собран двухкаскадный резисторный усилитель. Нагрузкой первого каскада является резистор R4, а второго- R9. Выходное напряжение усилителя поступает на его вход через цепь C2R1C1R3, являющуюся одной из ветвей моста Вина. Вторая ветвь, образованная резисторами R6,R5, соединена с выходом усилителя через конденсатор C5 большой емкости, благодаря чему цепь R6R5 не создает заметного сдвига фаз.

При этом минимальный коэффициент усиления, требуемый для выполнения баланса амплитуд, Кус=3. Последнее требование выполняется достаточно легко, так как реальный двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления напряжения, намного превышающий значение Кус=3. Отрицательная обратная связь в рассматриваемой схеме осуществляется с помощью элементов R5, R10 и цепи C5R6. Частота автоколебаний изменяется одновременно регулировкой емкости конденсаторов C1,C2 или сопротивления резисторов R1,R3. В обоих случаях диапазон регулировки, получается значительно больше того, который может быть достигнут в LC-генераторах.

  1.  


  1.  Некоторые положения схемотехнического моделирования аналоговых устройств

Математическое моделирование электронных устройств позволяет частично заменить дорогостоящее изготовление макетов и значительно сократить, сроки проектирования. Однако аналоговому моделированию свойствены ограничения, которые необходимо учитывать. Моделирование никогда полностью не заменит физическое макетирование, так как для него всегда выбираются упрощенные модели и упрощенные условия работы, не всегда полностью соответствующие реальности. Поэтому только инженер - разработчик может грамотно анализировать результаты моделирования.
Существует большой выбор отечественных и зарубежных программ схемотехнического моделирования на персональном компьютере. Одной из таких программ является
OrCad  PSpice A_D - это программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств. Задание на моделирование для программы PSpice заносится в текстовые файлы. При графическом вводе схем с помощью программы Capture CIS создается три файла с одинаковым именем и расширениями
*.ор
j, *dsn и *.dbk. При составлении этого задания непосредственно с помощью текстового редактора достаточен один файл с расширением *.орj. На бумаге составляется принципиальная схема и присваиваются имена всем её узлам (при графическом вводе с помощью Capture CIS это делать не обязательно). Имена узлов могут быть целыми числами или алфавитно -цифровыми символами не более 131 символа. В качестве этих символов используются буквы латинского алфавита от А до Z, цифры 0-9, и знаки
“$“,“_”, “*”, “%“, “/”. Стандартное обозначение ряда узлов сведены в таблицу и приводятся в описании самой программы.

Для запуска более старой версии программы РSрiсе 5.1. на персональном компьютере необходимо поместить папку DEN_РС, в которой находится РSрiсе, в корневой каталог диска С, то есть в С:\DЕN_РС и запустить исполнительный файл РS.ЕХЕ, после чего откроется основное окно программы РSрiсе.  Внешний вид окна программы показан на рисунке 4.

Рис.4 Основное окно программы РSрiсе 5.1.

В открывшемся окне выберем закладку Files нажатием левой кнопки мыши, в открывшемся меню выберем команду CURRENT FILE нажатием левой кнопки мыши, в появившийся пустой строке необходимо ввести имя файла присвоенного исследуемому устройству. Внешний вид строки с именем файла показан на рисунке 5.

 

Рис.5 Ввод имени файла исследуемого устройства.

После из закладки Files нажатием левой кнопки мыши, в открывшемся меню выберем команду EDIT и произведем набор текстового задания для исследования. Далее выбираем закладку ANALYSIS и в открывшемся меню выберем команду RUN PSPICE для запуска процесса исследования.

  1.  


  1.  Создание модели операционного усилителя

Перед тем как использовать программу PSpice для запуска процесса исследования RC – автогенератора с мостом Вина на операционном усилителе, необходимо предварительно создать модель отечественного быстродействующего операционного усилителя К544УД2.

Для этого воспользуемся вспомогательной программой PARTS входящей в состав пакета PSpice. Данная программа позволяет вручную создавать модели ОУ с использование справочных данных.

Запустим программу PARTS запуском загрузочного файла PARTS.EXE. на экране монитора появится окно (рис.6):

Рис.6 Вид программы PARTS.

Для создания модели ОУ выберем «5» и нажмем ENTER, в открывшемся окне (рис.7) введем название ОУ. Затем на экране появится окно ввода параметров  ОУ.

Рис.7 Ввод имени ОУ К544УД2.

В программе Parts имеется возможность редактировать:

1. Large Signal Swing (большой размах сигнала)

2. Open Loop Gain (открытое петлевое усиление)

3. Open Loop Phase (открытая петлевая фаза)

4. Maximum Output Swing (максимальный выходной размах)

Для получения корректной модели ОУ, в связи с особенностями программы Parts, данные необходимо вводить в следующем порядке: 2,1,3,4 (т.е. начиная с Open Loop Gain). Ввод данных в любом экране активизируется командой Device_data (данные устройства). Значения параметров для ОУ К544УД2 необходимо брать из таблицы 4.1 учебного пособия «Компьютерный анализ аналоговых электронных устройств (курсовое проектирование)». Примеры ввода параметров приведены на рис. 8-11.

Рис.8 Ввод данных в директорию Open Loop Gain.

Рис.9 Ввод данных в директорию Large Signal Swing.

Рис.10 Ввод данных в директорию Open Loop Phase.

Рис.11 Ввод данных в директорию Maximum Output Swing.

По окончании ввода параметров ОУ необходимо выйти из программы Parts при помощи команды Esc и «0», при этом файл с созданной моделью ОУ сохранится в каталоге программы PSpice с именем k544ud2.mod.


4. Анализ АЧХ операционного усилителя.

Коэффициент усиления операционного усилителя равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии ОС. Коэффициент усиления измеряется в пределах от 103 до 107.

Для снятия АЧХ ОУ используется следующая схема:

+Uπ

-Uπ

0

1

V1

2

X1

+Uπ

-Uπ

0

7

6

V2

V3

Вход «+» (т.е. прямой вход) операционного усилителя соединен с узлом 0 цепи. Коэффициент усиления операционного усилителя для данной схемы измерения определяется выражением К = V(2) / V(1).

V1, V2 – независимые источники напряжения, подключенные к узлам схемы.

X1 – макромодель ОУ с именем К544УД2, которая определяется следующим образом:

контакт модели

узел цепи

вход (+)

0

вход (-)

1

напряжение питания (+)

6

напряжение питания (-)

7

выход

2

Для выполнения данного задания необходимо  загрузить программу PS.EXE и следуя указаниям п.2 данной курсовой работы ввести задание на моделирование с использованием ОУ К544УД2 (рис.12).

Рис.12 Текст программы для снятия АЧХ ОУ К544УД2.

После написания и запуска задания на моделирование необходимо проделать следующие операции:

1. вход в меню ANALYSIS;

2. вход в команду RUN PSPICE;

3. выполнить команду Add_trace (добавить график) и на запрос Enter variables or expressions (введите переменные или выражения) вписать строку V(2) / V(1).

4. выбрать команду Y_axis (ось Y) и установить логарифмический масштаб по оси Y путем выбора команды Log.

5. Выполнив команду Cursor (курсор) и перемещая курсор клавишами определить значение коэффициента усиления на частоте 1 кГц.

В результате мы получим АЧХ для ОУ К544УД2 в следующем виде (рис.13):

Рис.13 АЧХ для ОУ К544УД2.

Таким образом, с увеличением частоты до 1 кГц коэффициент усиления ОУ плавно уменьшается, а при частоте более 1 кГц резко падает.


5. Генерация гармонических колебаний

Частота генерации рассчитывается по формуле:

В техническом задании частота генерации задается формулой:

F = 1.5*N = 1.5*22 = 33 (Гц), где N – номер варианта.

Тогда для стандартных значений резисторов R = 220 Ом, подставляя в указанную выше формулу, значение емкости конденсаторов равно:

Выберем ближайшее значение емкости конденсатора из стандартного ряда: С =  22 мкФ.

R4

R3

R1

R2

C2

C1

2

1

3

4

0

K

Uвых

Схему RC – автогенератора с мостом Вина представим следующим образом:

Для исследования режима генерации колебаний автогенератора с мостом Вина в текстовое задание в программе необходимо ввести следующие команды (рис.14):


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84959. Ознайомлення з клавішами “пропуск”, “Shift”, “Caps Lock”. “Кіт-риболов” 85.03 KB
  Продовження ознайомлення з клавіатурою, зокрема з клавішами “пропуск”, “Shift”, “Caps Lock”. Закріплення знань учнів про написання великої літери. Розвиток уяви, пам’яті, уваги, логічного мислення.
84960. Ознайомлення із клавішами Enter, Esc. Програма “Кіт-риболов” 206.04 KB
  Ознайомлення із клавішами Enter Esc. Продовження ознайомлення з клавіатурою та принципами її роботи зокрема принцип роботи клавіш Enter Esc. Сьогодні ми познайомимося з клавішами Enter і Esc. Enter дуже важлива клавіша.
84961. Ознайомлення з клавішами-стрілочками, BS, Delete 144.71 KB
  Ознайомлення учнів з клавішами - стрілочками (вліво, вправо, вгору, вниз), BS, Delete. Закріплення навичок роботи з клавішами Enter, ESC. Розвиток логічного мислення. Виховання акуратності, охайності при роботі з комп’ютером...
84962. Створення вітальної листівки з використанням графічного редактора Paint і тексту 59.76 KB
  Створення вітальної листівки з використанням графічного редактора Pint і тексту Мета. Формування основних навичок роботи з компонентами графічного редактора Pint. ПК із завантаженим графічним редактором Pint роздатковий матеріал Хід уроку І. Допоможе нам працювати графічний редактор PINT.
84963. Правила дорожнього руху. Комп’ютерна підтримка уроку основи здоров’я 166.04 KB
  Комп’ютерна підтримка уроку основи здоров’я. Виховання спостережливості уваги інтересу до комп’ютера. Повторення правил безпечної поведінки в комп’ютерному класі. На початку уроку ми повторили правила роботи з комп’ютером.
84964. Комп’ютерна підтримка української мови. Звуки голосні й приголосні. Програма “Незвичайний поїзд” 437.9 KB
  Формування вміння працювати з теоретичним матеріалом підручника, знаходити в ньому потрібну інформацію. Розвиток мовленнєвих та творчих здібностей, логічного мислення, уваги, пам’яті. Виховання культури мовлення.
84965. Комп’ютерна підтримка української мови. Ненаголошені е та и. Програма “Незнайка на містку” 175.63 KB
  Удосконалення вмінь працювати мишкою у програмі “Незнайко на містку”. Закріплення правил правопису ненаголошених е, и в корені слів, Розвиток вмінь практично застосовувати набуті знання; Підвищення інтересу до роботи з комп’ютером.
84966. Комп’ютерна підтримка української та англійської мови. Програма “Ведмедик-поліглот” 293.5 KB
  Удосконалення знань слів української та англійської мови, уміння їх перекладати. Розвиток просторової уяви, логічного мислення, уваги. Продовження формування умінь і навичок роботи з комп’ютером.
84967. Техніка безпеки при роботі з комп’ютером 94.4 KB
  Техніка безпеки при роботі з комп’ютером Мета. Навчити учнів поводитися в комп’ютерному класі дотримуючись усіх правил техніки безпеки ТБ. Виховувати культуру поведінки в комп’ютерному класі толерантність при роботі в парах культуру мовлення і бережливе ставлення до держмайна. Хто знає в який клас ми прийшли Чи доводилось тобі працювати з комп’ютером А чи знаєш ти що таке комп’ютер Робота з тлумачним словником.