7255

Генератор прямоугольных импульсов

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Задание на расчет Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видом характеристики типа меандр. Амплитуда сигнала стандартная для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100Гц 1...

Русский

2013-01-20

287.87 KB

85 чел.

Задание на расчет

Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видом характеристики типа "меандр". Амплитуда сигнала стандартная для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100 Гц; 1 000 Гц; 10 000 Гц. Ток нагрузки 10мА.

1. Функциональная схема устройства

При построении ГПИ за основу взята схема симметричного мультивибратора реализованная на интегральном операционном усилителе (ОУ) [1]. Функциональная схема ГПИ приведена на рисунке 1.1

Принципиальная схема мультивибратора приведена на рисунке 1.2

Период переключений такого мультивибратора определяется постоянной времени  интегрирующей RC-цепи, глубиной положительной обратной связи, входными и выходными сопротивлениями усилителя, его полосой пропускания и коэффициентом усиления. Если допустить, что вышеперечисленные параметры ОУ, такие как входное сопротивление, выходное сопротивление, коэффициент усиления (без обратной связи) и полоса пропускания приближаются к следующим величинам

Rвых  ;  и ,

то для принципиальной схемы рисунок 1.2

(1)

причем для получения прямоугольных импульсов необходимо, чтобы глубина положительной обратной связи  удовлетворяла условию

(2)

при выполнении которого переключение ОУ происходит лавинообразно за доли-единицы микросекунды [1].

Рисунок 1.1 - Функциональная схема устройства.

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема.


1. Описание работы схемы

При включении питания напряжение на выходе усилителя вследствие неидеальной балансировки отличается от нуля. Это напряжение (например положительное) с выхода усилителя через цепь положительной обратной связи (ПОС), образованной резисторами R1 и R2 подается на неинвертирующий вход ОУ, усиливается им, снова подается на вход и т.д., пока усилитель не переключится в состояние насыщения и напряжение на его выходе не станет максимально возможным. К инвертирующему входу ОУ подключен конденсатор С, напряжение на котором в начальный момент равно нулю. После переключения конденсатор начинает заряжаться через сопротивление R, подключенное к выходу ОУ и напряжение на нем начинает возрастать.

, (3)

где Uнас - напряжение насыщения усилителя, близкое к напряжению питания.

На инвертирующем и неинвертирующем входах действуют положительные напряжения - постоянное Uпос и изменяющееся Uс (t) и выходное напряжение определяется как

Uвых (t) = Ко [Uпос - Uс (t)], (4)

где Ко  103  106 - коэффициент усиления.

Это напряжение постоянно и равно Uнас до тех пор, пока разность входных напряжений положительна. Как только напряжения сравняются: Uпос = Uс (t), напряжение на выходе мгновенно становится равным нулю, что влечет за собой и равенство нулю напряжения обратной связи Uпос = 0. Но напряжение на конденсаторе остается и не может мгновенно изменится, поэтому выходное напряжение, равное усиленному напряжению на инвертирующем входе, становится отрицательным и равным напряжению насыщения:

Uвых = - Ко Uс (t) = - Uнас. (5)

При этом напряжение положительной обратной связи Uпос также становится отрицательным. Отрицательное напряжение с выхода через резистор R подается на конденсатор С, ранее заряженный положительно, и начинает его перезаряжать. Процесс перезарядки длится до тех пор, пока напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах не сравняются, вследствие чего в схеме снова происходит переключение.

Для получения в нагрузке импульсов напряжения только положительного уровня на выходе усилителя подключен диод.


2. Расчет схемы

Параметры элементов схемы обеспечивающей заданные частоты импульсов на выходе мультивибратора рассчитаем для принципиальной схемы рисунок 1.2

Из условия (2) следует, что R1  10R2. Примем R1 = 12 000 Ом и R2 = 1 500 Ом, тогда

из (1) выражение под логарифмом будет

Подставив найденное значение в (1) получим следующую зависимость периода T от параметров времязадающей RC цепи.  (6)

Для заданных частот выберем общий конденсатор такой емкостью чтобы наименьшее сопротивление резистора R (для наивысшей заданной частоты) обеспечивало облегченный режим работы ОУ по току нагрузки, например 1 мА. Сопротивление резистора будет

R = 5 /1*10-3 = 5000 Ом

Напряжение 5 В соответствует моменту переключения ОУ и является суммой выходного напряжении ОУ 2,5 В и заряженного конденсатора -2,5 В.

При выбранном сопротивлении проведем расчет емкости для частоты 10 000 Гц по (6)

С = T /0,446R = 4,48*10-8Ф

Тогда для частоты 1000 Гц, также по (6) получим

R’= 1/ (0,446*1000*4,48*10-8) = 50 кОм

и для частоты 100 Гц

R" = 1/ (0,446*100*4,48*10-8) = 500 кОм

Выбрали значение емкости из стандартного ряда, С = 4500 пФ, и провели пересчет значений сопротивлений для получения заданных частот

R = 4 982 Ом; R’= 49 825 Ом; R" = 498 256 Ом.


3. Принципиальная схема

Составим принципиальную схему устройства, где для устранения разброса параметров элементов схемы включим подстроечные резисторы, а вычисленные значения сопротивлений получим путем параллельного подключения резисторов к R.

Из стандартного ряда выбрали следующие номиналы резисторов для принципиальной схемы

R3 = 510 кОм; R4 = 47 кОм и R5 = 4,5 кОм.

Подстроечные резисторы выберем с учетом превышения вычисленных значений сопротивлений и включим последовательно с R3, R4, R5. Так

R6 = 50 кОм; R7 = 4,7 кОм и R8 = 1 кОм.


4. Выбор элементов схемы

В качестве ОУ выберем микросхему К140УД14, для которой напряжение питания можно выбирать в диапазоне  5-20 В. Это позволяет при выборе Uпит 5В получить на выходе ГПИ положительные импульсы уровня ТТЛ т.е. U1 = 2,4В. Технические характеристики ОУ приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1 - Технические характеристики ОУ.

Параметр

Значение

Входной ток

нА

Разность входных токов 

нА

Напряжение смещения нуля

мВ

Коэффициент усиления

000

Максимальное выходное напряжение

В

Максимальное входное дифференциальное напряжение

В

Напряжение питания

20 В

Входное сопротивление

МОм

Выходное сопротивление

кОм

Конденсатор выберем типа К21-9 (стеклокерамический) с ТКЕ группы МП0 т.е. с емкостью независящей от температуры.

Сопротивления возьмем типа МЛТ с номинальной мощностью 0,125 Вт. Подстроечные типа СП3 - 38 также номинальной мощностью 0,125 Вт. Максимальный ток пропускаемый резисторами

Imax = Pном/Umax = 0,125/3,2 = 39 мА

позволяет применять резисторы выбранной номинальной мощности в схеме. 

Подключение нагрузки, произведем последовательно с диодом типа Д9Б, рассчитанным на ток (прямой, постоянный) 40мА, для получения на выходе только положительных импульсов.

Для выбора частоты генератора ключи SА1 и SА2 выполнили на клавишном переключателе типа П 2 КЛ с 2-я клавишами.

4.1 Расчет соответствия предельных параметров эксплуатации ОУ выбранному режиму работы схемы

4.1.1 Максимальное входное дифференциальное напряжение присутствует на входе ОУ во время перезарядки конденсатора, когда напряжение на неинвертирующем входе суммируется с напряжением обратной полярности н-а конденсаторе подключенном к инвертирующему входу и величина этого напряжения равна удвоенному значению на неинвертирующем входе

4.1.2 Максимальный ток на выходе ОУ является суммой токов нагрузки Iн=10 мА, ПОС

Iпос= = 0,23 мА

и тока RC цепи. Максимальный ток RC протекает в момент переключения схемы т.е. когда происходит перезарядка конденсатора с уровня Uc. max=Uпос=Uвых* = 0,35В выходным напряжением ОС обратной полярности 3,2В через минимальное сопротивление RC цепи.

После суммирования токов нагружающих выход ОУ получим

Iвых. макс = 10 + 0,23 + 0,71 = 10,94 мА

После проведенных расчетов следует, что в схеме можно применить ОУ К 140 УД 14 параметры которой превышают максимально возможные режимы работы схемы.

Макс. входное диф. напряжение,  В = 13 > 0,74,Максимальный выходной ток, мА = 12 > 10,94.


5. Составление схем замещения

При составлении схем замещения необходимо знать значение сопротивления которое дают в сумме резисторы R3 - R8. Воспользовавшись правилами сложения последовательно и параллельно подключенных сопротивлений, получили Rэкв = 4929 Ом. Следовательно на месте входного сопротивления ОУ будет разрыв, т.к оно на порядок превышает Rэкв, а выходное сопротивление остается, т.к оно соизмеримо с R1 и R2.

Рисунок 5.1 - Схема замещения при положительном напряжении на выходе.

Рисунок 5.2 - Схема замещения при отрицательном напряжении на выходе.


Заключение

В ходе проделанной курсовой работы был разработан генератор меандра с уровнями ТТЛ со ступенчатой установкой частоты от 100 до 10 000 Гц и током нагрузки 50 мА, что полностью соответствует заданию на проектирование.


Список использованных источников

  1.  Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника; Учебник для ВУЗов. -М.; Недра, 1990. - 374с.; с ил.
  2.  Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л; Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. - 304 с.; ил.
  3.  Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства; Справочник радиолюбителя - Киев; Наук. думка. 1989. - 800 с.; ил.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64200. ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕТА И ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИЗА ДВИЖЕНИЯ ДЕНЕЖНЫХ СРЕДСТВ В ОТКРЫТОМ АКЦИОНЕРНОМ ОБЩЕСТВЕ «ЯКУТОПТТОРГ» 624.24 KB
  Денежные средства – один из наиболее важных аспектов операционного цикла организации. Управления денежными потоками является тем инструментом, при помощи которого можно достичь желаемого результата деятельности предприятия – получения прибыли.
64201. Організація локальної обчислювальної мережі загальноосвітньої школи 4.01 MB
  Метою проектування є розрахунок топології і технічних характеристик локальної обчислювальної мережі, визначення апаратних і програмних засобів комплектації локальної обчислювальної мережі (ЛОМ) загальноосвітньої школи, розміщення вузлів мережі і каналів мережного зв'язку.
64202. Облік та аудит розрахунків з різними дебіторами 1.3 MB
  Метою дипломної роботи є встановлення достовірності ведення заборгованості за кожним дебітором термінами її виникнення й погашення; повноти та своєчасності відображення даних в зведених та облікових регістрах.
64203. Будівництво кафе дитячого на 64 місця 355.39 KB
  Повноцінне харчування дітей необхідна умова забезпечення їх здоров'ям, опору дії до інфекцій та інших несприятливих факторів, і здібностей до навчання в усі періоди дорослішання. Їжа єдине джерело життєво важливих речовин, необхідних для розвитку і формування дитячого організму...
64204. The Concept «GENTLEMAN» in the Novel of Charles Dickens «Great Expectations» 377.22 KB
  The aim of the diploma work is to establish Dickens’ understanding of the notion of GENTLEMAN within, by the discourse analysis, point out especial meaning and interpretation of the concept in the novel “Great Expectation”.
64205. Приостановление, прекращение и восстановление выплаты пенсии по действующему российскому законодательству 711.35 KB
  Однако по численности контингента и удельному весу расходуемых средств пенсии имеют преобладающее значение в общей системе материального обеспечения престарелых и нетрудоспособных граждан. За счет пенсии в денежной форме удовлетворяются самые разнообразные потребности человека в пище...
64206. Концентрация вредных веществ, мгновенно-опасная для жизни или здоровья 97 KB
  История вопроса Обсуждение того как использовать респираторы когда загрязнённость воздуха мгновенно-опасна для жизни или здоровья началось по крайней мере с начала 1940х. Неопасные случа это те когда загрязнённость воздуха не представляет мгновенной опасности для жизни или здоровья но создаёт сильный...
64207. СРЕДСТВА ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ 126 KB
  Типовой перечень ежегодно реализуемых работодателем мероприятий по улучшению условий и охраны труда и снижению уровней профессиональных рисков где значительное внимание уделено использованию СИЗ. Электронный каталог сертифицированных средств индивидуальной защиты...