КУРСОВАЯ РАБОТА ДИСЦИПЛИНА: Электроника ТЕМА: Расчет релаксационного генератора на ИОУ ИСПОЛНИТЕЛЬ: ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЕ 3 ВВЕДЕНИЕ 4 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ 7 2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 11 3. СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 19 ЗАДАНИЕ Разработать и рассчитать релаксационный генератор на ИОУ
(интегральной схеме операционного усилителя) в соответствии с данными, представленными: 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. ВВЕДЕНИЕ
Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний. 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. 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. Устройство без генератора либо, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор). 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. 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ
Итак, мультивибратор – это релаксационный генератор, вырабатывающий импульсы почти прямоугольной формы. 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. Выберем схему мультивибратора на ОУ, приведенной на рисунке №1. В данном случае положительная обратная связь обеспечивается делителем напряжения на резисторах R1, R2. В момент t=0 (рис. 2) 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). 2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Опираясь 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. 3. СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ 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 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовой работе был разработан релаксационный генератор на ИОУ с большой скважностью генерируемых импульсов в режиме автоколебания. В процессе ее выполнения получены навыки выбора схемы и ее элементов в зависимости от необходимого результата. 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 ИСПОЛЬЗУЕМОЙ 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. ПРИЛОЖЕНИЕ