Преобразователь напряжение – частота

 

2) Преобразователь «напряжение – ток»

       Выполнен на основе операционного усилителя [3]. Выходной ток пропорционален входному напряжению и управляет «токовым зеркалом». Обладает хорошей линейностью преобразования.

 

3) Управляемый  генератор тока - «токовое зеркало»

       Это источник тока, управляемый током [6]. Управляющий ток подается с выхода преобразователя «напряжение – ток». Основная задача «токового зеркала» - обеспечить высокую степень постоянства выходного тока, который в свою очередь попадает в цепь времязадающего конденсатора, регулирующего частоту выходных импульсов. Для корректной работы «токового зеркала» нужна пара согласованных транзисторов для его реализации в простейшем случае. В данной работе используется вариант реализации «токового зеркала» с третьим транзистором, обеспечивающий фиксирование потенциала коллектора и заданную эффективность.

 

4) Мультивибратор на основе ИС таймера 555 серии

       Служит для формирования импульсов прямоугольной формы заданной частоты. Согласно внутренней структуре имеет два порога срабатывания, верхний и нижний,  с которыми происходит сравнение напряжения времязадающего конденсатора. Работа верхнего или нижнего компаратора вызывает срабатывание триггера и последующее формирование импульса. Обладает хорошей линейностью преобразования, поэтому получил достаточно широкое распространение в данной категории устройств [1].

 

5) Делитель частоты

       Выполнен на основе синхронного D триггера, срабатывающего по фронту импульса. Данный тип переключения триггера позволяет сформировать на его выходе сигнал, длительность импульса которого равна длительности паузы, т.е. сигнал с постоянной скважностью (Q=2), что и требует техническое задание.

 

6) Выходной каскад

       Позволяет сформировать на нагрузке R=10 Ом импульсы нужной амплитуды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Принципиальная  электрическая схема ПНЧ

Рис. 4.1 Принципиальная электрическая  схема ПНЧ

 

       Принципиальная электрическая схема ПНЧ (рис.4.1) содержит в своем составе как аналоговые, так и цифровые компоненты, поэтому особое внимание уделялось совместной работе данных моделей в составе устройства (согласование по уровням напряжения) для обеспечения корректного преобразования входного напряжения в частоту выходных импульсов. Некоторые элементы (резистор R2) имеют малые номинальные значения. Это связано с особенностями моделирования устройства, в практической же реализации большого принципиального значения они не имеют.

Опишем принцип работы данного устройства [1]. На вход данного устройства поступает сигнал определенной амплитуды, причем если амплитуда входного сигнала находится вне диапазона от 0 до 10 В, то происходит ограничение входного сигнала  на уровне граничных значений с помощью параметрического стабилизатора на стабилитроне.

Далее сигнал поступает  на вход операционного усилителя X2, который совместно с транзистором Q1 и резистором R1 образуют схему преобразователя «напряжение – ток». Выходной ток данного преобразователя прямо пропорционален входному напряжению. Этот ток вызывает падение напряжения коллектор-эмиттер транзистора Q2, так как транзисторы Q2 и Q3 одного типа, то и напряжение на коллекторе-эмиттере Q3 будет аналогичным, а, следовательно, будет совпадать и ток, протекающий через транзисторы Q3 и Q4. Транзисторы Q2, Q3, Q4 образуют схему «токового зеркала» Уилсона. Выходной ток «токового зеркала» попадает в цепь времязадающего конденсатора С1.

Данный конденсатор  подключен к соответствующим  выводам ИМС таймера 555 серии. Согласно внутренней структуре таймера, он имеет  два компаратора, которые задают два порога срабатывания асинхронного RS – триггера, также являющегося одним из функциональных узлов таймера 555. Как только напряжение на конденсаторе C1 достигнет верхнего порога, произойдет срабатывание компаратора, который сбросит триггер. Инверсный выход данного триггера управляет разрядным транзистором во внутренней структуре таймера, и как только произойдет срабатывание триггера, через насыщенный транзистор произойдет разрядка C1.  Так как коллектор данного транзистора соединен непосредственно с объединенными входами компараторов, то разряд конденсатора C1 происходит почти мгновенно до нулевого значения. Это связано как из – за малой постоянной времени разряда, так и из – за инерционности компаратора и триггера. Вследствие этого, скважность выходных импульсов таймера практически равна 1.

Далее прямоугольные  импульсы с выхода таймера поступают  на вход синхронного D – триггера, работающего по фронту импульса и используемого в качестве делителя частоты. С помощью данного функционального узла удается получить на выходе D – триггера прямоугольные импульсы с постоянной скважностью Q=2.

Наконец, импульсы с D – триггера поступают в выходной каскад устройства. Транзистор Q5 режиме насыщения, транзистор Q6 - в активном режиме. В итоге, на резисторе R6 получаются импульсы необходимой частоты, скважности и амплитуды.

Таким образом, число  функциональных блоков электронного устройства является необходимым и достаточным  для реализации технического задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчет  основных функциональных узлов  устройства

 

5.1 Расчет параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне

      

 Так как входное напряжение изменяется от 0 до 10 В, то возможно использование одностороннего стабилитрона с напряжением стабилизации 10 В (рис. 4.1). Выберем по справочнику отечественный стабилитрон КС210Ж со следующими параметрами U_cт = 10 В, I_ст = 3мА. Рассчитает величину сопротивления R3 параметрического стабилизатора:

       Выберем необходимое сопротивление из стандартного ряда E12, близкое к расчетному значению.

 

 

5.2 Расчет управляемого источника тока - «токового зеркала»

 

Как уже отмечалось, основная задача «токового зеркала» - обеспечить высокую степень постоянства выходного тока, который в свою очередь попадает в цепь времязадающего конденсатора, регулирующего частоту выходных импульсов (рис.4.1). Выходной ток I_кQ4 практически равен входному I_кQ1, происходит взаимная компенсация базовых токов (при комплементарных транзисторах Q2 и Q3) . Базовый ток транзистора Q4 вычитается, а базовый ток транзистора Q2 вновь добавляется  к выходному току «токового зеркала» [11].

I_кQ1 = U_вх / R1

Входной ток I_кQ1 лежит в следующих пределах: 213 мкА < I_кQ1< 2.13 мА, а, следовательно, такие же пределы изменения имеет и выходной ток I_кQ4.

Согласно [4], при выходном токе I_кQ4, который заряжает конденсатор C1, меньшим 5 мА достигается минимальная погрешность преобразования таймера 555, равная 0.1% при использовании внешних времязадающих электронных компонентов.

 

 

5.3 Расчет времязадающей RC – цепи мультивибратора

     

  Так как разряд конденсатора C1 происходит практически мгновенно, то для обеспечения постоянной скважности (Q=2) в данной работе используется делитель частоты. Это говорит о том, что для получения выходного сигнала с частотой 1 кГц<f<10 кГц, необходимо вести расчет времязадающей RC – цепи мультивибратора с учетом данного обстоятельства .

Полагая, что напряжение на конденсаторе C1 в начальный момент времени равно нулю, а заряд заканчивается при , согласно внутренней структуре таймера 555 серии [1], получаем что (рис. 4.1)

        Так как время заряда конденсатора C1 много больше времени его разряда, то можно считать, что данное выражение справедливо и для периода повторения выходного напряжения устройства.

Зная, что при U_вх = 10 В частота выходных импульсов F_и = 10 кГц (после делителя частоты), найдем

       Выберем оптимальные значения сопротивления R1 и конденсатора C1, согласующиеся со стандартными рядами сопротивлений и емкостей E12. В итоге, R1 = 4.7 кОм, С1 = 10 нФ.

 

5.4 Расчет выходного каскада устройства

 

        Так как нагрузка является достаточно низкоомной (R6=10 Ом), то для получения заданной амплитуды выходного сигнала необходимо использовать двухтактный выходной каскад (рис 4.1).

Согласно техническому заданию амплитуда выходных импульсов  равна 20 В при нагрузке в 10 Ом. Используя  закон Ома для участка цепи, получим:

I_R6 = V_R6 / R6 = 20 / 10 = 2 А

Так как h_21э=100 для транзистора Q6, то I_бR6 = 2/100 =20 мА

Транзистор Q6 включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), поэтому V_бQ6 = V_э +0.6 = 20 + 0.6 =20.6 В

 

Найдем номинал сопротивления R4 = V_R4 / I_R4

V_R4 = V5 - V_бQ6 = 24 – 20.6 = 3.4 В, I_R4 = I_бR6 = 20 мА

R4 = 3.4 / 2*10^-2 = 170 Ом

Выберем значение из стандартного ряда E12, близкого к искомому R4 =150 Ом.

        Транзистор Q5 включен по схеме с ОЭ, ток I_бQ5 достаточно мал, поэтому наличие сопротивления R5, как токоограничительного элемента, носит достаточно условный характер. Выберем номинал R5 = 100 Ом, согласующийся со значениями из стандартного ряда сопротивлений E12.

 

Возьмем следующие транзисторы:  для n-p-n  типа  КТ 325В, КТ 809А

                                                             для  p-n-p типа   ГТ 321В

 

Операционный усилитель  – КР 574УД1

Диод – КД 204Б

6 Краткое  описание системы моделирования MicroCap-9

 

MicroCap-9 - это универсальная программа схемотехнического анализа, предназначенная для решения широкого круга задач [7]. Характерной особенностью этой программы, впрочем как и всего семейства MicroCap ,  является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной аудитории.  Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным  средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые схемы. Возможно также и смешенное моделирование аналогово – цифровых электронных устройств.

Опытные пользователи программы, применяя собственные макромодели,  могут анализировать сложные  замкнутые системы с переменной конфигурацией. Смешанное моделирование  и грамотное использование упрощенных  макромоделей функциональных узлов позволяют проводить расчеты режимов работы этих сложных устройств с достаточно высокой степенью точности.

MicroCap-9 отличается от младших представителей своего семейства более совершенными моделями электронных компонентов. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным  пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 - достаточно сложным в освоении

средствам анализа и  проектирования электронных устройств,  подразумевающим в первую очередь  профессиональное использование. Кроме того, полная совместимость со SPICE-моделями и SPICE-схемами и развитые возможности конвертирования позволяют пользователю MicroCap успешно применять все разработки, предназначенные для данных пакетов, а  полученные навыки моделирования дадут возможность в случае необходимости гораздо быстрее осваивать профессиональные пакеты моделирования.

       Перечисленные достоинства делают программу MicroCap-9 весьма  привлекательной для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и возможность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать ее как  начинающим радиолюбителям, студентам, так и инженерам-разработчикам. Кроме  того, программы семейства MicroCap активно применяются в  научно-исследовательской деятельности.

       Особо хочется отметить интерфейс программы. Разработчики очень  серьезно подходят к этому вопросу, начиная с младших версий. Достаточно  сказать, что еще до повсеместного распространения Windows версия MicroCap-IV, выпущенная в 1992 г., уже имела очень удобный оконный интерфейс,  который был совсем нехарактерен для программ того времени.                                                                                                                           

       Этот интерфейс позволял под DOS получать практически все удобства, которые имеют в  настоящее время пользователи Windows. В последующих версиях также много внимания уделялась повышению удобства использования программы. По мнению авторов книги, интерфейс MicroCap настолько интуитивно понятен, что позволяет человеку, имеющему базовые навыки работы с персональным компьютером, начать использование этой         программы даже не читая руководство. Разработчиками найден  компромисс между простотой и функциональностью. В нем нет имитации  «измерительных приборов», загромождающих Workbench. При расчете не  открывается большое число окон со сложными взаимосвязями между ними, как в DESIGNLAB. Не зря его очень любят студенты - простенькую схемку им в большинстве случаев удается промоделировать в MicroCap и без прочтения громоздких руководств. А если учесть, что даже в демонстрационной версии MicroCap приведены примеры моделирования практически всех типов  электронных устройств (как аналоговых, так и цифровых), то это существенно  упрощает освоение программы и изучение приемов моделирования.  Достаточно открыть пример и провести свой расчет «по образу и подобию». А полная версия содержит уже столько примеров, что изучение только тех схем,  которые содержатся в библиотеке MicroCap, в состоянии заметно расширить  знания, полученные в рамках базовых вузовских курсов электроники и  схемотехники. Кроме того, в    MicroCap имеется функция демонстрации основных  возможностей программы, наглядно представляющая основные приемы работы с ней.