Введение
1. Генераторы стабильного тока и
напряжения
1.1. Генераторы стабильного тока
1.2. Генераторы стабильного
напряжения
2. Генератор прямоугольных импульсов
2.1.
Описание работы схемы
2.2.
Расчет схемы
2.3.
Принципиальная схема
2.4.
Выбор элементов схемы
2.5.
Составление схем замещения
3. Генератор серий синхроимпульсов
3.1. Разработка структурной схемы
генератора серий синхроимпульсов.
и обоснования принятых решений
3.2. Разработка принципиальной
схемы
3.3. Расчет основных параметров и
характеристик
3.4. Моделирование устройства
Заключение
Список использованной литературы
Введение
До того, как была
открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы,
которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного
электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:
·
Электростатическую индукцию
·
Трибоэлектрический эффект,
при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух
диэлектриков
По причине низкой
эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие
напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не
использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности
масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
В большинстве случаев
класс генератора определяется используемым двигателем, а если более точно – его
моторесусом. У промышленного бензинового двигателя время работы до первого
возможного отказа – в среднем 3-5 тысяч часов. Бытовой генератор не может похвастаться такими характеристиками – время работы его
мотора до возможного отказа исчисляется сотнями. Промышленные генераторы имеют
возможность комплектации топливным баком большой ёмкости – производитель
изначально предусматривает, что работа генераторной установки будет длительной.
Все генераторы
(генераторные электростанции) можно классифицировать и разделить на несколько
основных групп.
По назначению
генераторы делятся на: промышленные
и бытовые.
В зависимости от типа
применения различают: основные; резервные; портативные.
По исполнению:
открытые; в шумопоглощающем корпусе; в контейнере; в кунге.
По виду запуска:
ручной (актуален для малогабаритных); электростартерный; автоматический.
1.
Генераторы стабильного тока и напряжения
1.1. Генераторы стабильного
тока
Для смещения и стабилизации
режимов ИС широко используют генераторы стабильного тока (ГСТ): для
стабилизации режимов и в качестве активной нагрузки усилительных каскадов; в
качестве ИП эмиттеров Т дифференциальных усилителей; в интеграторах, генераторах
пилообразного напряжения и т.д. Под ГСТ понимают двухполюсник, ток через
который практически не зависит от приложенного напряжения. Если на такой
двухполюсник подать сумму постоянного и
переменного напряжений, то его сопротивление для переменной
составляющей будет высоким. Сопротивление для постоянной составляющей обычно требуется
небольшое. Важнейшими параметрами ГСТ являются выходное сопротивление (в идеале ),
выходной постоянный ток и рабочий
диапазон – диапазон выходного напряжения, в котором ГСТ сохраняет свои
свойства.
Простейший ГСТ (рис. 1, а)
обеспечивает ток ,
где , – напряжение
база – эмиттер и коэффициент передачи тока Т. Для определения
параметра напомним, что выходное
сопротивление каскада с ОЭ (без учета нагрузки) составляет
, (1)
а б в г
д е ж
Рис. 1. Схемы генераторов
стабильного тока
|
где –
эквивалентное (с учетом делителя смещения) сопротивление генератора; – суммарное (с учетом дифференциального
сопротивления ) сопротивление в цепи эмиттера.
Применительно к
рассматриваемому ГСТ выражение (1) трансформируется в . При малых токах величина составляет десятки и сотни килоом. Рабочий
диапазон соответствует изменению напряжения на
коллекторе в пределах от до . Основными недостатками этого ГСТ являются:
относительно невысокое выходное сопротивление; низкая температурная и режимная
(при изменении напряжения ИП) стабильность
выходного тока.
Для повышения стабильности с
помощью дополнительных сопротивлений и вводится эмиттерная стабилизация ГСТ (см.
рис.1, а), при которой ток . Она, как
следует из соотношения (1), увеличивает сопротивление ГСТ,
но уменьшает его рабочий диапазон на падение напряжения .
Дальнейшее повышение температурной стабильности достигают включением Д
последовательно с сопротивлением . Если
характеристики Д согласованы с аналогичными Т, то это нейтрализует изменение
тока под влиянием температурного
приращения . Согласование характеристик обеспечивают
диодным включением Т. Требуемое напряжение на базу Т ГСТ можно подавать также с
помощью стабилитрона (вместо сопротивления )
или нескольких диодов. Иногда ГСТ, в которых ток вытекает из нагрузки, называют
“поглотителями” тока, а со втекающим током – источниками(см. рис.1, а, б).
Реализация ГСТ на ПТ может быть
проще: без отдельного источника смещения, т.е. по схеме двухполюсного
включения. Такие ГСТ выполняют на ПТ с управляющим переходом и ПТ с изолированным
затвором и встроенным каналом (рис. 1, в, г). Их выходное сопротивление равно , где ,
– внутреннее сопротивление и крутизна ПТ.
Существенный недостаток
рассматриваемых ГСТ – относительно небольшое выходное сопротивление. Для его
увеличения применяют двухтранзисторные ГСТ (рис. 1, д – ж). В генераторе на БПТ
сопротивление и
составляет сотни (тысячи) килоом, в ГСТ на ПТ оно определяется соотношением ((), () – внутреннее
сопротивление и крутизна транзистора VT1 (VT2)) и достигает единиц (десятков) мегаом. Для повышения
тока затвор ПТ VT1
можно подключить не к корпусу, а к истоку ПТ VT2, что
уменьшает напряжение смещения ПТ VT1 и увеличивает его
ток. Но выходное сопротивление ГСТ оказывается при этом меньше.
Напряжение на базе (затворе) Т
приведенных ГСТ фиксировано. Если предусмотреть возможность его изменения, то
получим программируемый ГСТ. В случае изменения этого напряжения по закону
сигнала ток отслеживает его, что соответствует
управляемому генератору тока.
От ГСТ со смещением на основе
согласованной пары Т легко перейти к так называемому токовому зеркалу (ТЗ),
широко применяемому в схемотех-нике аналоговых ИС. ТЗ (отражателем тока)
называют функциональный узел, у которого токи двух сходящихся в одну точку
ветвей равны, причем входной управляет
выходным (рис. 2, а). В рассматриваемом случае
общей точкой является заземление. В выходную ветвь включена нагрузка и подается
питающее напряжение. Входное сопротивление ТЗ мало, выходное – велико (в пределе
). Поэтому ток не
зависит от напряжения в точке 2, а определяется током .
Коэффициент передачи является основным параметром
ТЗ. В общем случае ТЗ можно рассматривать как частный случай управляемого генератора
тока. У него коэффициент не обязательно
равен 1.
|
а б
Рис. 2. Функциональная схема
(а) и применение (б) токового зеркала
|
Наиболее часто ТЗ применяются в
качестве ГСТ и динамических нагрузок Т дифференциального каскада, обеспечивая
переход от симметричного выхода к несимметричному высокоомному. Рассмотрим
последнее применение (рис. 2, б).
В исходном состоянии
транзисторы VT1 и VT2 имеют
равные коллекторные токи . Когда на дифференциальный
вход поступает некоторое напряжение , первый из них,
например , увеличивается до значения , а второй ()
уменьшается до величины . Ток повторяется ТЗ, поэтому выходной ток каскада
составляет и равен сумме полезных
составляющих обоих Т. Если же на базы транзисторов VT1
и VT2 поступит синфазное (относительно корпуса)
приращение напряжения, то выходной ток будет равен нулю и ( – коэффициент
ослабления синфазного напряжения (синфазной помехи), показывающий, во сколько
раз коэффициент передачи синфазного входного напряжения меньше, чем
дифференциального). На практике , поэтому
синфазная помеха подавляется не полностью.
|
а б в
Рис. 3 Реализация токовых
зеркал
|
Простейшая (основная) схема ТЗ
представлена на рис. 3, а. Предполагается, что транзисторы VT1
и VT2 одинаковы. Входной ток вводится
через добавочное сопротивление . Очевидно, в
схеме , , , , а выходное
сопротивление (с учетом формулы (1)) равно .
Для уменьшения различия токов ветвей, что увеличивает значение параметра , в ТЗ вводят буферный Т VT3
(рис.3, б), который уменьшает разность токов в раз.
Поэтому . Выходное сопротивление такое же,
как и в предыдущей схеме. Коллекторный ток VT3 намного
меньше токов Т VT1 и VT2, из-за
чего коэффициент имеет низкое значение.
Для увеличения тока иногда включают токоотводящее сопротивление .
Рассматриваемые ТЗ обладают
относительно невысоким выходным сопротивлением. В результате ток зависит от выходного напряжения, которое при
высокоомной нагрузке может быть значительным. Это влечет за собой дополнительный
разбаланс плеч, т.е. уменьшает коэффициент .
Для увеличения сопротивления применяют ТЗ со
следящим напряжением второго Т, называемое ТЗ Уилсона (рис. 3, в). В нем
эмиттер Т VT3 повторяет напряжение на коллекторе Т VT1, поэтому коллекторные напряжения Т VT1
и VT2 почти одинаковы и не зависят от выходного.
Коэффициент имеет то же значение, что и в
основной схеме ТЗ. Выходное сопротивление существенно выше (порядка ), из-за чего схема не разбалансируется
выходным напряжением и работоспособна при более высокоомной нагрузке.
Дальнейшее повышение сопротивления можно обеспечить
включением в эмиттеры Т VT1 и VT2
сопротивлений, выбираемых порядка 1 кОм. Сказанное справедливо также для других
ТЗ.
Если в ТЗ (см. рис. 3, а) к
коллектору Т VT1, помимо Т VT2,
подключить еще несколько Т со своими нагрузками, то получим схему с несколькими
выходами. При этом возможна ситуация, когда один из выходных Т входит в режим
насыщения, например, при отключении его нагрузки. Тогда база Т будет отбирать
из общей линии повышенный ток, что уменьшит выходные токи других Т. Для исключения
этого вводят буферный Т, аналогичный Т VT3 на рис. 3,
б.
Для построения ТЗ, отражающего
удвоенный (половинный) входной ток, необходимо в схеме (см. рис. 3, а)
параллельно Т VT2 (VT1) подключить
еще один Т. В ТЗ на ИС коэффициент часто задают
выбором размеров (площадей) эмиттерных переходов. Фирмой Texas Instruments выпускаются
монолитные ТЗ с коэффициентом передачи 1,0 , 0,5 , 0,25 и 2,0 и рабочим
диапазоном от 1,2 до 40 В . Возможным способом реализации ТЗ с кратными токами и является
включение в цепь эмиттера выходного (входного) Т дополнительного сопротивления.
Генераторы
стабильного напряжения
В схемотехнике аналоговых ИС
широко применяют генераторы стабильного напряжения (ГСН) – двухполюсники,
падение напряжения на которых слабо зависит от протекающего тока. Простейший ГСН
– диод, через который протекает ток (от ГСТ или через сопротивление от ИП). В
качестве диода обычно используют прямосмещенный эмиттерный переход Т,
стабилизирующий напряжение на уровне примерно 0,65 В. Для увеличения напряжения
стабилизации применяют последовательное
соединение двух Т в диодном включении либо схему рис. 4, а. В ней (, – напряжения база – эмиттер Т). Иногда с
целью повышения тока Т VT1 дополнительно вводят
шунтирующее сопротивление величиной
несколько килоом, что уменьшает его дифференциальное сопротивление. Дальнейшее
увеличение достигают цепями из трех (четырех)
Т. Температурный коэффициент напряжения,
стабилизируемого прямым включением диодов, является отрицательным.
|
а б
Рис. 4. Схемы ГСН на транзисторах
|
Для получения малых значений часто используют параллельное соединение
делителя и Т VT
(рис. 4, б). Здесь напряжение и, значит, ток
через сопротивление стабильны. Приращение
внешнего напряжения приложено к сопротивлению и
изменяет ток базы, влияющий на ток коллектора. Напряжение стабилизации
(пренебрегаем током базы) составляет . Варьируя
значениями и ,
можно регулировать величину . Очевидно, в
схеме , где () – приращение тока (напряжения) ГСН; – крутизна последнего. Поэтому выходное
сопротивление рассматриваемого ГСН равно и
составляет примерно 50…200 Ом.
Вместо диодов в ГСН часто применяют
стабилитроны. Они имеют следующие недостатки: конечный набор значений и большой допуск на них (кроме дорогих
прецизионных стабилитронов); большой уровень шума; достаточно большое
дифференциальное сопротивление; зависимость напряжения от
температуры (например, стабилитрон с = 27 В из серии 1N5221 производства США имеет коэффициент = 0,1 % /град).
|
Рис. 5. Зависимость ТКН
Стабилитронов от напряжения
стабилизации и рабочего тока
|
Исследованиями фирмы Motorola, Inc. установлено, что в
окрестности точки = 6 В
стабилитроны имеют значительно меньшее, чем при других напряжениях,
дифференциальное сопротивление и почти нулевой коэффициент , который зависит от рабочего тока (рис. 5).
Это связано с используемыми в стабилитронах двумя механизмами пробоя:
зенеровским (туннельным) при низком и лавинном при высоком напряжении. С учетом
отмеченных закономерностей применяют так называемые компенсированные опорные
элементы в виде последовательного соединения стабилитрона с напряжением 5,6 В и прямосмещенного диода. Выбирая
величину и рабочий ток, можно
компенсировать отрицательный температурный коэффициент диода, равный –2,1
мВ/град. Такой подход использован в производимых фирмой Motorola,
Inc. дешевых опорных элементах с напряжением = 6,2 В, имеющих коэффициент от 10–4 % /град (1N821) до 5×10–6
% /град (1N829). Указанные значения справедливы при
токе = 7,5 мА. При этом в случае
стабилитрона 1N829 приращение тока на 1 мА изменяет
напряжение в три раза сильнее, чем изменение
температуры от –55 до +100 оС.
|
в
Рис. 6. Реализация ГСН на ИС
|
Имея компенсированный опорный
элемент VD с фиксированным напряжением = 6,2 В, можно построить с помощью буферного
операционного усилителя DA1 ГСН на любое требуемое
напряжение (рис. 6, а). Опорный элемент,
представляющий последовательное соединение стабилитрона и диода, включается в
любой полярности. Необходимый рабочий ток его = 7,5мА
задается сопротивлением , величина
которого, например, при = 10 В составляет
510 Ом (при этом = 3,83 кОм и = 6,19 кОм ). По рассматриваемой схеме
строятся так называемые стабилитронные ИС, обеспечивающие = 30×10–6
% /град. Они, как и их дискретные аналоги, обладают существенным недостатком:
имеют высокий уровень шума, который сильнее в стабилитронах с лавинным пробоем
(> 6 В). Для уменьшения шума используют
стабилитронную структуру с так называемым захороненным, или подповерхностным,
слоем.
В последнее время в ГСН в
качестве опорных элементов все шире применяют так называемые стабилитроны с
напряжением запрещенной зоны, которые было бы точнее назвать -стабилитронами (рис. 6, б). В них элементы VT1, VT2 и образуют
ТЗ с коэффициентом передачи < 1. Очевидно,
,
,
=,
,
,
где ,
, – напряжения
база – эмиттер Т VT1…VT3;
,
– входной и выходной токи ТЗ;
–
падение напряжения на резисторе .
Из этого следует, что
напряжение , в отличие от , имеет положительный температурный
коэффициент. Поэтому, подбирая (в зависимости от тока) величину , можно обеспечить нулевой коэффициент , что, как оказывается, выполняется при 1,22 В (напряжение запрещенной зоны кремния
при температуре абсолютного нуля). Ток ТЗ
задают при помощи сопротивления или от ГСТ.
Подключая рассматриваемый опорный элемент в предыдущую схему вместо
стабилитрона VD, можно получить ГСН на любое требуемое
напряжение.
В весьма распространенной схеме
ГСН на основе -стабилитрона (рис. 6, в) элементы VT1, VT2 и образуют
ТЗ с коэффициентом передачи = 0,1. По
аналогии со схемой рис. 6, б ток . Поэтому и = 1,22 В. Ток создает на сопротивлении напряжение с
положительным температурным коэффициентом, которое можно использовать в
качестве выходного сигнала температурного датчика. Цепь отрицательной ОС
(усилитель DA1, делитель ,
Т VT1 и VT2) дополнительно
компенсирует возможные изменения . Существуют
также другие варианты построения -стабилитро-нов,
но все они основаны на ТЗ с кратным отношением токов и сложении напряжений и вырабатываемого ТЗ.
Дальнейшие улучшение параметра достигают температурной стабилизацией всего
ГСН (термостатированием). Как известно, обычному термостатированию присущи
громоздкость, сравнительно большая потребляемая мощность, медленные разогрев и
выход на режим (10 и более минут). Поэтому в последнее время температуру
стабилизируют на уровне кристалла (чипа) ИС, включая в состав последней нагревательную
схему с температурным датчиком. Подход впервые опробован в 60-х годах фирмой Fairchild (США), выпустившей стабилизированную
дифференциальную пару mА726 и
предварительный усилитель постоянного тока mА727.
Позже появились “термостатированные” ГСН, например, серии National LM399, которые имеют = 2×10–5
% /град. Такие ГСН производятся в стандартных транзисторных корпусах типа
ТО-46, имеют нагреватели с мощностью потребления 0,25 Вт и временем выхода на
режим не более 3 с. Они построены на стабилитронах с захороненным слоем.
Отметим также, что на основе последних путем качественного схемотехнического
решения фирмой Linear Technology (США) созданы ГСН без подогрева, имеющие = 0,05×10–6
% /град и на порядок лучшие характеристики по долговременной стабильности и
шуму.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е
изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.
2.
Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов
электронных схем / Е.А. Чахмахсазян, Г.П. Мозговой, В.Д.Силин. – М.: Радио и
связь, 1999. – 144 с.
3.
Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов.
– М.: Радио и связь, 2002. – 304 с.
2. Генератор прямоугольных
импульсов
2.1.
Описание работы схемы
2.2.
Расчет схемы
2.3.
Принципиальная схема
2.4.
Выбор элементов схемы
2.5.
Составление схем замещения
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 t 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 b 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.
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 ³ 103 ¸ 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.
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.
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.
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
|
5 нА
|
|
Разность входных
токов
|
1 нА
|
|
Напряжение смещения
нуля
|
5 мВ
|
|
Коэффициент усиления
|
50 000
|
|
Максимальное
выходное напряжение
|
12 В
|
|
Максимальное
входное дифференциальное напряжение
|
13 В
|
|
Напряжение питания
|
5…20 В
|
|
Входное
сопротивление
|
30 МОм
|
|
Выходное
сопротивление
|
10 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.
4.1.1
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*b = 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.
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.
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.
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.
3. Генератор серий
синхроимпульсов
3.1. Разработка структурной схемы
генератора серий синхроимпульсов.
и обоснования принятых решений
3.2. Разработка принципиальной
схемы
3.3. Расчет основных параметров и
характеристик
3.4. Моделирование устройства
Техническое задание
Разработать генератор серии
синхроимпульсов приведенных на рис.1. Все необходимые сигналы управления
генератором (Сброс, тактовые синхроимпульсы СИ и т. п.) поступают из внешней
схемы управления.
Рис.1
Параметры сигналов следующие: tи = 1мкс, Tи =
2мкс (где tи – длительность импульсов, T – период следования импульсов в серии).
1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ
СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ
1.1. Выбор и обоснование
структурной схемы
Генератор может быть построен на
основании четырехразрядного кольцевого счетчика и неполного линейного
дешифратора, который можно реализовать на логических элементах, выполняющих
функцию 2И.
Структурная схема генератора
приведена на рис.1.1.
Рис. 1.1.Структурная схема
генератора
СИ – тактовые синхроимпульсы
CT –
кольцевой счетчик
DC –
дешифратор
1.2. Разработка функциональных
схем отдельных блоков устройства
На рис.1.2 приведена
функциональная схема кольцевого счетчика, построенного на основе обычного
сдвигового регистра со сдвигом вправо. В качестве разрядных триггеров
использованы D – триггеры с прямым динамическим
управлением. Благодаря тому, что триггеры имеют как прямой ( Q
), так и инверсный ( Q ) выход, на входе схемы
дешифратора, подключенного к прямым и инверсным выходам счетчика, нет
необходимости использовать дополнительные инверторы для получения парафазных
кодов. Таблица состояний и временная диаграмма работы счетчика приведены
соответственно в табл.1.1 и на рис.1.5.
На рис.1.3 приведена
функциональная схема дешифратора, который представляет собой простой неполный
линейный дешифратор. Работа дешифратора в статическом режиме полностью
описывается с помощью таблицы состояний ( табл.1.1 ). Согласно этой таблице
функциональная схема может быть реализована на основе следующих логических
выражений:
Q1 = Q3 Ù Q2 (1)
Q2 = Q1 Ù Q0 (2)
Q3 = Q2 Ù Q3 (3)
Q4 = Q0 Ù Q1 (4)
Для реализации данных логических
выражений достаточно воспользоваться четырьмя элементами, реализующих функцию
2И.
1.3 Алгоритм и временная
диаграмма работы генератора и отдельных блоков
Временная диаграмма,
иллюстрирующая работу как генератора в целом, так и его отдельных блоков,
приведена рис. 1.3.
Таблица 1.1.
Таблица
состояний счетчика
|
СИ
|
ВЫХОДЫ
|
|
Q3
|
Q2
|
Q1
|
Q0
|
|
0
1
2
3
4
5
6
7
8
|
0
1
1
1
1
0
0
0
0
|
0
0
1
1
1
1
0
0
0
|
0
0
0
1
1
1
1
0
0
|
0
0
0
0
1
1
1
1
0
|
Таблица 1.1.
Таблица состояний счетчика
|
ВХОДЫ
|
ВЫХОДЫ
|
|
Q3
|
Q2
|
Q1
|
Q0
|
Ф1
|
Ф2
|
Ф3
|
Ф4
|
|
0
1
1
1
1
0
0
0
0
|
0
0
1
1
1
1
0
0
0
|
0
0
0
1
1
1
1
0
0
|
0
0
0
0
1
1
1
1
0
|
0
1
0
0
0
0
0
0
0
|
0
0
0
1
0
0
0
0
0
|
0
0
0
0
0
1
0
0
0
|
0
0
0
0
0
0
0
1
0
|
Рис 1.2. Функциональная схема
счетчика
Рис 1.3. Функциональная схема
дешифратора
Функциональная схема задающего
генератора ( G ) приведена на рис.1.4.
Рис 1.4. Функциональная схема
генератора
1.4. Описание принципа
действия
Так как после включения питания
триггеры счетчика могут установиться в любое состояние ( ’’0’’ или ’’1’’), то
перед началом работы необходимо установить все разрядные триггеры в нулевое
состояние. Для этого на все входы установки в ''0'' разрядных триггеров ( R ) необходимо подать на короткое время сигнал низкого
уровня, т.к. предложенные в задании триггеры имеют инверсный асинхронный вход
установки в ''0''.
Длительность этого сигнала должна
быть не меньше времени установки в ''0'' разрядных триггеров. Первый тактовый
синхроимпульс, следующий после окончания сигнала ''сброс'', вызывает появление
на выходе генератора первого фазового импульса Q1.
Работа генератора в статическом режиме
полностью описывается таблицами состояний счетчика (табл. 1.1) и дешифратора
(табл. 1.2). В динамическом режиме работа генератора осуществляется в
соответствии с временной диаграммой, приведенной на рис. 1.5. Из этой временной
диаграммы видно, что появляющийся на выходе дешифратора последовательно во
времени импульсы управления с четырехфазным шаговым двигателем Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4
соответствуют временной диаграмме задания. Период следования и длительность
импульсов Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 определяются частотой следования тактовых
синхроимпульсов (СИ), поступающих от внешнего тактового генератора
Рис 1.5. Временная диаграмма
работы генератора и его отдельных блоков
2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
СХЕМЫ
На основании структурной схемы
генератора импульсных последовательностей, приведенной на рис. 1.1, а также
функциональных схем отдельных блоков, разработанных в разд. 1.2, разработана
принципиальная схема устройства, приведенная на черт.
XXXXXXX.098033.010 Э3.
Генератор тактовых импульсов построен
на двух инверторах DD1.1 и DD1.2,
охваченных цепью положительной обратной связи. Стабильность частоты
генерируемых прямоугольных импульсов обеспечивается за счет кварцевого
резонатора XT,включенного в цепь положительной обратной
связи по постоянному току между двумя инверторами DD1.1
и DD1.2. Резисторы R1 и R2 предназначены для смещения рабочей точки на амплитудно –
передаточных характеристиках (АПХ) инверторов DD1.1 и DD1.2 на границу линейной области.
Для построения кольцевого
счетчика на основе сдвигового регистра использована интегральная микросхема
(ИМС) DD2 типа 1533 ТМ8, содержащая четыре D – триггера с прямым динамическим управлением, общими цепями
синхронизации (С) и установки в ноль (R). Внешним
монтажом все разрядные триггеры соединены последовательно друг с другом.
Инвертор DD1.3
предназначен для создания синхровхода счетчика с обратным динамическим
управлением. Для построения неполного дешифратора с выходами Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4
использована ИМС DD3 типа 1533 ЛИ1, содержащая четыре
логических элемента, реализующих функцию 2И.
Выбор любой из четырех серий
синхроимпульсов Ф1, Ф2, Ф3 или Ф4 осуществляется с помощью мультиплексора
размерностью 4 ® 1, реализованного в
микросхеме DD4.1 типа 1533 ИП2.
Выбор любого из четырех входных
направлений 01, 02, 03 или 04 осуществляется с помощью двухразрядного адресного
кода, подаваемого на соответствующие входы А1 и А2 мультиплексора. В ИМС 1533
КП2 содержится два идентичных мультиплексора с общими адресными входами. Выбор
необходимого MUX осуществляется с помощью разрешающих
входов Е0 и Е1 (Enable). Для этого на вход Е0 подан
сигнал логического нуля.
3. Расчет основных параметров
и характеристик
3.1. Расчет временных
характеристик
Основная задача этого раздела –
определение допустимых значений временных характеристик (минимальная
длительность импульса) входных сигналов и как следствие, значений параметров,
характеризующих быстродействие всего устройства в целом.
Составим таблицу, характеризующую
параметры микросхем.
3.2. Расчет надежности
Интенсивность отказов l характеризуется отношением числа отказавших
изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к
началу рассматриваемого промежутка времени:
l
= m/Nt , (3.1)
где m –
число изделий, отказавших за время t,
N – число
исправно работающих изделий к началу промежутка времени.
Если предположить, что отказы
различных элементов взаимно независимы и каждый отказ носит катастрофический
характер, т.е. полностью нарушает работоспособность, то интенсивность отказов
устройства равна сумме интенсивностей отказов элементов составляющих
устройство.
, (3.2)
где li – интенсивность отказов элементов i-го типа;
Сi –
количество элементов i-го типа, входящих в устройство.
Наработка на отказ равна:
Т = 1/l (3.3)
Интенсивность отказа элементов
следующая:
Микросхемы 1533й серии 0,85
* 10-6 (1/ч);
Резисторы 0,9
* 10-6 (1/ч);
Тогда,
l
= (17·0,85+2·0,9)·10-6 = 16,25 · 10-6 1/ч,
Т = 1/16,25 ·10-6 =
0,062 ·10-6 = 6,2 · 10-4 (ч).
|
Обозначение
|
Наименование
|
Количество
|
|
|
|
|
Конденсаторы
|
|
|
С1
|
КМ – 6 – 9 - 0,47 +- 10% ОЖО
464. 023 ТУ
|
1
|
|
С2
|
К73 – 9 - 10 ОЖО 468. 030 ТУ
|
1
|
|
С3, С4
|
КМ – 6 – 9 - 0,068 +- 10% ОЖО
464. 023 ТУ
|
2
|
|
Резисторы
|
|
|
R1, R2
|
МЛТ – 0,125 – 100 кОм +- 10%
|
2
|
|
Микросхемы
|
|
|
DD1, DD3
|
КР1533 ЛН1
|
2
|
|
DD2
|
КР 1533 ТМ8
|
1
|
|
DD4
|
КР 1533 ЛП2
|
1
|
|
Кварц
|
|
|
XT
|
РВ – 72 – 20 МГц ТУ 18 – 780 -
780
|
1
|
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
4.1. Моделирование генератора
Моделирование устройства
осуществлялось с использовани- ем пакета прикладных программ '' Electronics Workbench
'' 4.0 (EWB 4.0). Была продемонстрирована работа
основных блоков устройства – счетчика и дешифратора. Тактовые синхроимпульсы на
С-вход счетчика подавались от внешнего генератора, имеющегося в библиотеке
приборов пакета EWB 4.0.
Триггеры и логические элементы,
необходимые для построения счетчика и дешифратора, были взяты из
соответствующих библиотек элементов пакета EWB 4.0. В
связи с тем, что моделирование осуществлялось на основе функциональных схем,
разработанных в разд. 1.2, библиотеки интегральных микросхем пакета EWB 4.0 не использовались.
Контроль необходимых сигналов в
соответствии с временной диаграммой, разработанной в разд. 1.3, осуществлялся с
помощью восьмиканального логического анализатора из библиотеки приборов пакета EWB 4.0.
Результаты, полученные в процессе
работы на логическом анализаторе совпадают с результатами, представленными на
временной диаграмме работы генератора и отдельных его блоков.
Заключение
Генераторная установка предназначена для
обеспечения питанием потребителей, входящих в систему электрооборудования, и
зарядки аккумуляторной батареи при работающем двигателе автомобиля. Выходные
параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения
автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи. Кроме
того, напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генераторной установкой,
должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и
нагрузок.
Генераторная установка - достаточно надежное устройство, способное выдержать
повышенные вибрации двигателя, высокую подкапотную температуру, воздействие
влажной среды, грязи и других факторов.
Обслуживание генераторной установки
сведено к минимуму и не требует каких-либо специальных знаний и навыков, эти
работы может выполнить каждый автолюбитель.
Обслуживание генератора начните с очистки наружных поверхностей. Проверьте
крепление генератора к двигателю, надежность присоединения проводов к
генератору и регулятору напряжения, а также натяжение приводного ремня
вентилятора. Если натяжение слабое, то генератор работает неустойчиво, если
сильное - ремень и подшипники быстро изнашиваются.
Также проверьте состояние приводного ремня. На нём не должно быть трещин и
расслоений.
Состояние подшипников можно проверить, вращая ротор генератора от руки при
снятом приводном ремне. При нормальном состоянии подшипников вращение вала
должно происходить плавно, без заеданий, сильного люфта, шумов и щелчков.
Эксплуатация генераторной установки
требует соблюдения некоторых правил, связанных, главным образом, с наличием в
них электронных элементов.
1. Не допускается работа генераторной установки с отключенной аккумуляторной
батареей. Даже кратковременное отсоединение аккумуляторной батареи при
работающем генераторе может привести к выходу элементов регулятора напряжения
из строя.
При полностью разряженной аккумуляторной батарее машину невозможно завести,
даже если катать ее на буксире: АКБ не дает тока возбуждения, и напряжение в
бортовой сети остается близким к нулю. Помогает установка исправной заряженной
батареи, которая затем при работающем двигателе меняется на прежнюю,
разряженную. Чтобы избежать выхода из строя элементов регулятора напряжения (и
подключенных потребителей) из-за повышения напряжения, на время перестановки
батарей необходимо включить мощные потребители электроэнергии, таких, как
обогрев заднего стекла или фары. В дальнейшем за полчаса-час работы двигателя
на 1500-2000 об/мин разряженная батарея (если она исправна) зарядится
достаточно для того, чтобы завести двигатель.
2. Не допускается подсоединение к бортовой сети источников электроэнергии
обратной полярности (плюс на "массе"), что может произойти, например,
при запуске двигателя от посторонней аккумуляторной батареи.
3. Не допускаются любые проверки в схеме генераторной установки с подключением
источников повышенного напряжения (выше 14 В).
4. При проведении на автомобиле электросварочных работ клемма "масса"
сварочного аппарата должна быть соединена со свариваемой деталью. Провода,
идущие к генератору и регулятору напряжения следует отключить.
ЛИТЕРАТУРА
4. Степаненко
И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е изд., перераб. и
доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.
5. Математическое
моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем / Е.А.
Чахмахсазян, Г.П. Мозговой, В.Д.Силин. – М.: Радио и связь, 1999. – 144 с.
Ногин В.Н. Аналоговые электронные
устройства: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002. – 304 с.