Розробка широкодіапазонного генератора з використанням сучасної елементної бази (стр. 2 из 7)

Одним із варіантів генератора на одному ОП є автоколивальний генератор представлений на рисунку 1, в якому позитивний зворотній зв`язок забезпечується подільником R1/R2.

Рисунок – 1. Автоколивальний генератор на одному ОП.

Резистор R1 ввімкнений між виходом і неінвертуючим входом ОП, часозадаюче коло ввімкнене так, що її конденсатор виконує дію зворотнього негативного зв’язку в час лавиподібного процесу, в результаті якого вихідна напруга скачкоподібно збільшиться до значення Е, а вхідна n⁺ до U_R=gE, де g=R2/(R1+R2). Напруга n^- при цьому залишається практично незмінною і дорівнює нулю. Процес заряду конденсатора через резистор R обумовлює збільшення напруги n^-, яка прагне до рівня Е по експонентному закону. В момент t=t_ni виконується рівність n⁺=n^-, вихідна напруга при цьому зменшується до нуля і почне змінювати полярність на протилежну, від’ємну. Процес цієї зміни проходить лавиноподібно. В результаті його закінчення напруга n стає рівною - Е, а n⁺ = -UR, знову повторюється перекинення ОП. Ці процеси періодично повторюються.

Для іншого варіанта, автогенератор напруги трикутної форми побудований на двох ОП (рисунок 2), один з яких А1 з метою позитивного зворотного зв’язку, що утворений дільником R1, R2, грає роль електричного ключа, що керується напругою n^-, а інший А2 - роль інтегратора з RC - інтегруючим колом.

Рисунок – 2. Автогенератор трикутної форми.

Нехай в момент часу t = 0, напруга почне u збільшуватись прямуючи до +Е. Завдяки позитивному зворотному зв’язку процес установки напруги n₁, буде лавиноподібним. Коли процес закінчиться n₁=Е. Ця напруга підводиться до входу інтегратора. Інтегруючий конденсатор, який раніше зарядився до напруги u_c(0)=u₂(0)=Е, почне розряджатись через резистор R. Оскільки струм розряду і_р з часом трохи зменшиться, напруга u^- = u₁-Rі_р буде повільно зменшуватись. Коли конденсатор С перезарядиться до напруги -Е, підсилювач А1 загубить свої підсилювальні властивості і перейде до режиму обмеження. Струм перезаряду конденсатора почне швидко зменшуватись, викликає порівняно швидке збільшення напруги u^-. Коли u^- стане більшим u⁺=gЕ, станеться перебудування підсилювача А1. На вході підсилювача А2 діє напруга від’ємної полярності. Конденсатор знову почне розряджатись, прямуючи до напруги +Е.

Приведені варіанти свідчать, що генератори типу RC прості в реалізації, дешеві, мають малі габарити та масу, їх можливо використовувати з широким діапазоном частот, це найбільша перевага над генераторами типу LC, які не можуть використовуватись на НЧ, оскільки при зниженні частоти, зростають їх габаритні розміри.

1. Техніко-економічне обґрунтування технічного завдання

Більша увага приділяється комфорту при користуванні вимірювальними приладами. Все більше використовуються операційні підсилювачі для побудови генераторів. Це різко зменшує вагу і габарити приладу, дає порівняно прості схемні рішення. Для їх ремонту потрібні кваліфіковані радіомеханіки. Розробляємий широкодіапазонний генератор служить для настройки різноманітної апаратури в порівнянні з іншими схемами подвійних генераторів на ОП (рисунок 1,2) (серій К140, К153, К563 і т. д). Отримати велику швидкість наростання вихідної напруги інтегратора і малий час "відповіді" компаратора не вдається, тому гранична частота більшості генераторів не більше 10…20 кГц.

В вище згаданих генераторах є суттєві недоліки, які не задовольняють користувача. В цих генераторах не можливо змінювати частоту, вони працюють в одному частотному діапазоні. В них неможливо досягнути імпульсів різної форми (трикутні, прямокутні, синусоїдальні), вони виробляють імпульси однієї певної форми. В цих генераторах не має схеми регулювання довжини імпульсів.

В розробляємому генераторі необхідно усунути всі ці недоліки. В якості інтегратора необхідно використати операційний підсилювач, в якого по електричним параметрам велика швидкість наростання вихідної напруги і компаратор з малим часом затримки. При дотриманні цих вимог, можливо розширити діапазон частот, що генеруються до 1 МГц. Так як розроблений генератор має бути функціональним, то необхідно вводити в схему формувач напруги, що дає змогу отримати сигнал синусоїдальної форми. Введення в схему одновібратора дає можливість отримати регульовану тривалість імпульса від 0,5 мкс до 1200 мс.

Розробляємий функціональний генератор повинен бути високоекономічним. Його живлення забезпечить стабілізоване джерело живлення з напругою ± 12 В. Для живлення інших мікросхем генератора пропонується допоміжне стабілізоване джерело живлення.

Ремонтоздатність функціонального генератора має підвищитись, завдяки використанню сучасної елементної бази, що різко зменшує фінансові витрати на ремонт приладу.

2. Розрахунково-конструктивна частина

2.1 Вибір та обґрунтування структурної схеми пристрою

Враховуючи переваги і недоліки вище приведених схем доцільно зупинитись на такій загальній структурній схемі:

Рисунок – 3. Загальна структурна схема генератора.

Для отримання в схемі імпульсів трикутної форми необхідно використати інтегратор. Він потрібен для інтегрування імпульсів. В інтеграторі швидкість зміни вихідної напруги пропорційна напрузі на вході і зворотно-пропорційна сталій часу t=R₁C:

, (1)

тому на виході інтегратора буде формуватись спадаюча напруга. Реальні ІМС ОП не забезпечують точного інтегрування. Підрахуємо похибку обумовлену кінцевим значенням коефіцієнта підсилення К ІМС ОП.

Напруга, під якою знаходиться конденсатор С:

U_c=U_o-(-U_вих)=U_o+U_вих= U_o(К+1)»К_uo, (2)

де К>>1- коефіцієнт підсилення ОП.

Припустимо, що напруга на конденсаторі С в К разів менше ніж U_c=U_o. Для того щоби швидкість заряду конденсатора, залишалась такою, як і була до цього (як при U_c=К_uo), струм через нього

(3) не повинен зменшуватись.

З приведеного значення виходить, що для цього ємність конденсатора потрібно прийняти рівною КС. Крім цього напругу, яка з’явиться на конденсаторі, потрібно в К разів підсилити, для того щоб вихідна напруга не відрізнялась від реальної.

З приведених значень необхідно вибрати мікросхему операційного підсилювача з великою граничною частотою підсилення і досить великим коефіцієнтом підсилення, щоби розширити діапазон частот, що генеруються. Вибираємо мікросхему типу К574УД1Б з такими електричними параметрами:

Напруга живлення – ± 12 В;

Струм, що споживається мікросхемою – 8 мА;

Вхідний струм не більше – 95 нА;

Вихідна напруга – 10 В;

Коефіцієнт підсилення по напрузі – 5*10⁴;

Швидкість наростання вхідної напруги – 50 В/мкс;

Частота одиничного підсилення – 10 МГц.

Вибрана мікросхема ОП задовольняє схему по всім параметрам.

Для того щоби не перевантажити вихід ОП необхідно розв’язати вихідний сигнал введенням в схему емітерного повторювача, з якого все навантаження зосереджене в колі емітера. Необхідно вибрати транзистор, який би задовольняв по струму і частоті. Виберемо транзистор типу КТ603Б з наступними параметрами:

Гранична частота – 200 МГц;

Напруга колектор-емітер – 60 В;

Струм емітера – 200 мА;

Ємність колектора – 15 пФ;

Вихідна потужність – 0,5 Вт.

Для того, щоби на вхід ОП поступав сигнал певної форми і він почав генерувати імпульси, необхідно ввести в схему компаратор. Він призначений для порівняння аналогових сигналів: один з яких називають опорним (U_oп), інший вхідний (U_вх). В момент роботи сигналів, напруга на виході компаратора різко зменшується.

Необхідно вибрати логічний елемент з досить малим часом затримки, щоби розширити діапазон частот, що генеруються. Вибираємо мікросхему К155ЛА3. В її склад входять чотири елементи 2І-НІ з такими електричними параметрами:

Напруга живлення – 5 В;

Споживаєма потужність – 78 мВт;

Вихідна напруга не менше – 2,4 В;

Струм короткого замикання – 18-55 мА;

Коефіцієнт підсилення – 10 раз.

Напруга трикутної форми, що виникає на виході інтегратора, через електронний повторювач буде керувати роботою компаратора.

Режим роботи компаратора повинне забезпечити стабілізоване джерело живлення, поданням напруги – 2 В, на вивід 7 мікросхеми компаратора.

Коливання трикутної форми з емітерного повторювача повинно поступати на спеціальний перетворювач трикутної напруги в синусоїдальну. Цього можливо досягнути побудуванням перетворювача трикутної напруги на каскаді з використанням польового транзистору. Для формування синусоїдальної напруги необхідно використати транзистор типу КП303А з такими параметрами: