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

86 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

31721. Загальна характеристика процесу учіння 23.5 KB
  Загальна характеристика процесу учіння Учіння виявляється там де дії людини скеровуються свідомою метою засвоїти певні знання навички вміння форми поведінки і діяльності коли субєкт діє з метою засвоєння нового досвіду. Зміст учіння гностична пізнавальна діяльність на основі пізнавальних психічних процесів за допомогою перцептивних мнемічних інтелектуальних імажинативних дій. Існує 3 основних групи мотивів учіння за їх джерелом: Внутрішні зумовлені структурою потреб людини.
31723. Мотивація учіння 27 KB
  Мотивація учіння Будьяка діяльність здійснюється під впливом певних спонукань які є рушієм активності її суб'єкта. Навчальна мотивація визначається специфічними для навчальної діяльності факторами: власне освітньою системою освітнім закладом; організацією навчального процесу; суб'єктивними особливостями тих хто навчається вік стать інтелектуальний розвиток здібності рівень домагань самооцінка взаємодія з іншими тощо; суб'єктивними особливостями педагога насамперед його ставленням до учня до власної справи; специфікою навчального...
31724. Загальна характеристика праці вчителя 28.5 KB
  Загальна характеристика праці вчителя На основі системного підходу до аналізу педагогічної діяльності Н. До структурних компонентів належать суб'єкт та об'єкт педагогічної взаємодії предмет їх спільної діяльності цілі навчання і засоби педагогічної комунікації. Функціональними компонентами педагогічної діяльності на думку Н. Конструктивний компонент розкриває особливості конструювання вчителем власної діяльності та діяльності учнів з урахуванням близьких урок заняття цикл занять цілей навчання і виховання.
31725. Специфіка педагогічного мислення 27.5 KB
  Специфіка педагогічного мислення Педагогічне завдання є структурною одиницею мислення вчителя. Основним компонентом практичного мислення вчителя в якому найяскравіше проявляється внутрішня єдність інтелектуальних емоційних та вольових якостей особистості є процес прийняття педагогічних рішень. Ще одна важлива особливість мислення вчителя полягає в тому що теоретичні знання при розв'язанні педагогічних завдань використовуються як правило у знятому вигляді автоматично скорочено згорнуто. Зумовлено це поперше загальною тенденцією до...
31726. Педагогічне спілкування 28 KB
  Педагогічне спілкування Прагнення до людського спілкування виступає своєрідним внутрішнім стимулом рушієм діяльності особистості. Педагогічне спілкування це система органічної соціальнопсихологічної дії учителявихователя і вихованця в усіх сферах діяльності що має певні педагогічні функції спрямоване на створення оптимальних соціальнопсихологічних умов активної та результативної життєдіяльності особистості. Оптимальним треба вважати таке спілкування педагога з вихованцями у процесі навчальновиховної роботи яке створює найбільш...
31727. Методи педагогічної психології 29 KB
  Недоліки цього методу: пасивність спостерігача фіксація тільки зовнішніх проявів певних дій і вчинків складність кількісної обробки одержаних даних. Позитивні сторони методу в його масовості швидкості одержання інформації легкої обробки даних можливості застосування математичних методів обробки даних і порівняльного аналізу декількох обстежень. Недоліки методу важко розраховувати на повні правильні точні відповіді неможливість втручання в сам процес анкетування немає гарантій недобросовісного заповнення анкет тощо. Позитивні...
31728. Історія розвитку педагогічної психології 28 KB
  Історія розвитку педагогічної психології Становлення багатьох галузей наукового знання являє собою гетерогенний і гетерохронний і більше того розірваний у часі процес. поклала початок розвитку педагогічної теорії і цілеспрямованої організації шкільного навчання. Ця праця можна розглядати і як першу передумову тривалого суперечливого становлення педагогічної психології протягом більш ніж 250 років бо тільки в кінці 19 в. Весь шлях становлення і розвитку педагогічної науки може бути представлений трьома великими періодами етапами: Перший...
31729. Суспільна роль вчителя, його значення в перебудові суспільства 28.5 KB
  Діяльність педагога вид соціально культурної діяльності спрямованої на передачу накопичених людством культури і досвіду від старших поколінь молодшим створення умов для їх всебічного гармонійного розвитку та підготовку до виконання певних соціальних ролей у суспільстві. Основою педагогічної діяльності є спільна діяльність людей у процесі якої кожен субєкт засвоює загальнолюдський досвід історично сформовані суспільні педагогічні комунікативні моральні та інші цінності знання і способи дій; формує себе як особистість. Метою...