Генераторы электрических сигналов

Введение

В XXI веке практически любое современное устройство предполагает в себе наличие такого функционального элемента как генератор гармонических или каких-либо других колебаний.

Генераторы электрических сигналов составляют довольно многочисленную группу устройств, входящих в состав медицинских приборов и аппаратов. Прежде всего, это генераторы стимулирующих сигналов для различных типов электрофизиологической аппаратуры, воздействующей на биологические объекты колебаниями различной формы и интенсивности. Кроме того, генераторы используются для обеспечения работы и создания требуемых режимов функционирования различных электронных схем медицинской аппаратуры.

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь.

Генераторы  синусоидальных сигналов используются в различных целях, в основном при настройке или использовании  какой-либо высокоточной аппаратуры, поэтому результатом решения этой задачи должна быть стабильная, высококачественная схема генератора синусоидального сигнала, которая могла бы быть собрана из указанных элементов, и работать без предварительной настройки.

Колебания синусоидальной формы являются одним из наиболее распространённых в радиоэлектронике видов колебаний. Генераторы синусоидальных колебаний используются в радиотехнике для настройки и калибровки различных цепей и устройств, а также могут применяться при их синтезе и непосредственно быть составными частями радиоэлектронной аппаратуры. Получение сигналов синусоидальной формы с высокой точностью очень важно при анализе и оценке характеристик нелинейностей квазилинейных устройств, таких как усилители. Столь же важно получать синусоидальные колебания с высокой точностью по частоте, например, для избирательных усилителей или средств измерения частоты.

В зависимости от области применения, генераторы можно разделить на высокочастотные и низкочастотные. В техническом задании описан низкочастотный генератор, более того, его диапазон лежит области звуковых частот. При синтезе низкочастотных генераторов важно учитывать то, что прежде всего необходимо получить сигнал с высокой точностью формы. Это требование обусловлено тем, что данные генераторы используются для настройки и измерения искажений в усилителях, фильтрах и измерительных каналах (невысокого быстродействия).

 

 

Постановка  задачи

 

Генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина в цепи обратной связи с регулировкой частоты.

 

V_x1

 

V_x2 R_H

 

рис. 1

 

V_x1 = (0…5)B – регулировка частоты

V_x2= (0…5)B – регулировка напряжения

V_H = (0…30)B

f = (0…20)кГц

(I_H)_max= 0,5A

K_Г< 2%

Источник питания  бестрансформаторный.

Стабилизатор  на составном транзисторе без  операционного усилителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема

 

Структурная схема является основополагающей частью для дальнейших рассуждений и  вычислений, на основе которых в  конечном итоге и составляется требуемое  устройство.

Генератор сигнала  данной формы можно реализовать  различными способами. В данном курсовом проекте генератор разрабатывается по схеме, представленной на рис. 2.

Рис.2 структурная  схема

 

БП – блок питания.

БУ1, БУ2 – блок управления

УМ – усилитель  мощности

G – генератор синусоидального напряжения

 

 

 

 

 

 

 

Описание  работы

 

Опишем назначение и работу элементов генератора, представленных на структурной схеме.

Генератор сигналов синусоидальной формы разработан таким образом, чтобы в дальнейшей эксплуатации можно было легко добавить новую  функциональность или перенастроить.

Прежде всего, в схеме должен присутствовать сам генератор, а, поскольку в техническом задании (ТЗ) был описан генератор, обеспечивающий выход на низкоомную нагрузку, то необходимо к выходу генератора подключить усилитель (тока), и только потом нагрузку. Это связано с низкой нагрузочной способностью прецизионных ОУ.

Колебания на выходе генератора можно получить, охватив его активный элемент (усилитель) цепью ОС, что  и показано на рисунке 3. В зависимости  от номиналов элементов в цепи ОС, можно задавать частоту генерации. Для того чтобы получить на выходе генератора ряд определённых частот, необходимо подобрать соответствующие этим частотам значения элементов цепи ОС.

На выходе блока питания постоянное напряжение номиналом в 15 В. Этим напряжением  запитывают 2 ветви, состоящие из преобразователей напряжения в ток. Эти преобразователи и являются функциональными элементами блока управления. Регулировка по частоте происходит за счёт изменения номинала резистора в генераторе синусоидального напряжения. Регулировать напряжение в схеме можно за счёт увеличения тока на фоторезисторе усилителя. Блок питания также питает усилитель мощности, который усиливает сигнал до необходимого уровня.

 

 

 

 

Разработка  принципиальной схемы. Генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина

 

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте.

В современной электронной  аппаратуре на основе операционных усилителей строятся схемы формирования сигналов синусоидальной формы с точно  заданными значениями частоты, амплитуды  и длительности. Для стабилизации амплитуды выходного сигнала  применяется отрицательная обратная связь, которая изменяется в зависимости от амплитуды выходного сигнала таким образом, что в результате ее действия амплитуда выходного сигнала не изменяется.

Из числа таких схем наибольшее распространение получила схема с RC- контуром и с мостом Вина в цепи ОС (Рис. 3).

Мост Вина представляет собой двойной делитель напряжения, первый из которых является частотно-зависимой  цепью. Этот делитель ослабляет напряжение тем больше, чем заметнее текущая  частота отличается от егособственной, квазирезонансной частоты .[1]

Частота, при  которой мост Вина приходит в равновесие (т.е. частота генерации): ;

Усилитель должен иметь коэффициент усиления K_u= 3. При меньшем усилении колебания затухают, при большем – выходной сигнал будет достигать насыщения и форма сигнала не будет синусоидальной.

 

 

При построении генераторов  синусоидальных колебаний с регулируемой частотой следует также учитывать  тот факт, что с изменением номинала хотя бы одного из частотозадающих элементов изменяется условие возникновения генерации, что может привести к срыву колебаний. В генераторах на мосте Вина это условие заключается в том, чтобы полный коэффициент усиления сигнала по цепям положительной и отрицательной ОС был равен единице на любой частоте. Поэтому при изменении частоты выходных колебаний в генераторах на мосте Вина необходимо использовать сдвоенный потенциометр (или конденсатор).

В схеме генератора на рисунке 6 эта задача решается включением регулирующего частоту потенциометра R2 таким образом, чтобы он изменял и усиление в цепи отрицательной ОС операционного усилителя А1. Поскольку R2 является элементом моста, он изменяет частоту генерации в соответствии с выражением [1]. При уменьшении номинала потенциометра увеличивается частота и уменьшается сигнал ОС U_B на неинвертирующем входе. Однако при этом одновременно увеличивается коэффициент усиления А1, так что суммарное усиление по цепям положительной и отрицательной ОС остается равным единице при всех изменениях сопротивления R2.

Схема на рисунке 6 вполне удовлетворяет требованиям. Для  генератора требуется ОУ достаточного быстродействия с малыми входными токами. Отечественная промышленность выпускает  серию интегральных микросхем (ИМС) быстродействующих операционных усилителей с полевыми транзисторами во входных каскадах, что обеспечивает им высокое входное сопротивление (порядка 10⁹ Ом). Приемлемо использовать ИМС КР574УД2 — сдвоенный широкополосный ОУ; его технические характеристики:

 

Uпит В	IП мА	I1 нА	DI1 нА	f1 МГц	+-U2m max	R2H min кОм
+-15	10	1	0.5	2	10	10

 

Uпит — напряжение питания; I_п — потребляемый ток; I_1- входной ток;

I₁ — разностный входной ток; DI₁ — частота единичного усиления;

±U_{2m max} — наибольшая амплитуда выходного напряжения; R_2Hmin— наименьшее сопротивление нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усилитель мощности. Разработка блока питания

 

Блок питания  предназначен для качественного  энергопитания всех элементов данного  генератора и усилителя мощности. В него входят следующие элементы: понижающий трансформатор, выпрямительные устройства, сглаживающие фильтры и стабилизаторы напряжения. Для нашего генератора возьмём двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (Рис. 4.1.).

 

Рис. 4. Схема  блока питания

Расчет стабилизатора  ±35В

 

Для стабилизации напряжения ±35В воспользуемся схемой последовательного транзисторного стабилизатора с усилителем в цепи обратной связи. В этой схеме транзистор VT26(VT28) является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а транзистор VT25(VT27) выполняет функции регулирующего элемента.

Выходные параметры: U_СМ=35 ± 2 В, I_Н =1А

Определение номинальногоU_ВХ:

 

U_ВХmin= U_ВЫХ +DU_ВЫХ + 5 + 1 = 43 В; U_{ВХ ном}» 45 В,

U_{ВХ max}= 1,1* U_Вхmin=47,3 В,

I_ВХ = 1,15 * I_Н =1,15 А,

К_п= U_{ВХ max}/ U_ВХ = 1,051.

 

Для транзисторов VТ25, VТ27: U_КБО= 7,3 В, I_Кmax= 1,15 А, P_K= 8,395 Вт

Выбираются

VТ25 - КТ639А (U_КБО= 45 В, I_Кmax= 2 А, P_K=12,5 Вт),

VТ27 - КТ704А (U_КБО= 45 В, I_Кmax= 2,5 А, P_K=15 Вт).

Определим R₄₉,R₅₀:

 

R₅₀=(U_ВЫХ - U_CM)/5 мА =1600 Ом,

 

тогда R₄₉ при напряжении

 

В

 

и при токе 5 мА R₄₉=1,8 кОм.

Исходя из полученных результатов выбирается:

VT26 - КТ3102Д (U_КБО=30 В, I_Кmax=100 мА),

VT28 - КТ3107Г (U_КБО= 30 В, I_Кmax=100 мА).

Для регулировки выходного напряжения необходимо рассчитать цепь R₅₁R₅₂R₅₃:

Принимается R₅₂ = 100 Ом. Падение напряжения на R₅₁R₅₃ должно быть: на R₅₁ - 27 В,

на R₅₃ - 8 В.

Ток в цепи зададим 10 мА, тогда:  R₅₁ = 2,7 кОм, R₅₃ = 0,75 кОм.

Аналогично рассчитывается отрицательное плечо.

Расчет стабилизатора  ±15В

 

Для питания ±15Ввозьмем микросхему К142ЕН6А, представляющую собой интегральный двуполярный стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряжением 15 В. Номиналы емкостей берутся, исходя из рекомендации по включению К142ЕН6А:

С10, С13=500 мкФ; С11,С12=0,1 мкФ; С14,С15=10 мкФ.

U_{ВХ ном}» 20 В;

Расчет выпрямителя  ±35В

 

1. Определим переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора: U₂ = BU_н=1,7*45=76,5

где U_н- постоянное напряжение на нагрузке, В;

В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяется по табл.).

2. По току нагрузки определим максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

 

I_д = 0,5 СI_н=0,5*1,8*1=0,9

 

где I_д - ток через диод, А;

I_н - максимальный ток нагрузки, А;

С - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяется по табл.).

3. Подсчитаем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:U_обр = 1, U_н=1,5*45=67,5

 

где U_обр - обратное напряжение, В;

U_н - напряжение на нагрузке, В.

4. Выберем диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные (KЦ412Б).

5. Определим емкость  конденсатора фильтра:

 

С8=3200 I_н / U_нK_п=91,42

 

где С_ф - емкость конденсатора фильтра, мкФ;

I_н - максимальный ток нагрузки, A;