Генератор синусоїдних коливань

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний університет „Львівська політехніка”

Кафедра «Комп’ютеризовані системи автоматики»

 

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з навчальної дисципліни

 «Електроніка та мікросхемотехніка»

На тему:

Генератор синусоїдних коливань

Виконав:

Ст. гр. СІз-31

Жуков К.І.

Прийняв:

Мичуда З.Р.

Львів 2016

Зміст

Технічне завдання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

Вступ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1. Огляд існуючих технічних рішень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. Обґрунтування вибору структурної схеми. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
3. Розроблення принципової схеми та розрахунок основних вузлів. .15

Розрахунок

Розрахунок

4. Конструкція генератора синусоїдальних коливань

Список літератури

Технічне завдання

Спроектувати генератор сунусоїдних коливань з наступними параметрами:

№ п/п	Проектований пристрій	Вхідний сигнал	Вихідний сигнал	Робочий діапазон температур	Основна похибка	Примітка
4	Генератор синусоїдних коливань	-	FF=3020 Гц A=2,4…5 B	-10..+600С	0,5%

Вступ

Генератори гармонічних коливань – це великий клас пристроїв, які знаходять широке застосування у різних галузях науки і техніки. Частотний діапазон таких генераторів від часток герца до десятків мегагерц і вище. Генератори гармонічних коливань поділяються на підкласи в залежності від частотного діапазону, значення вихідної напруги, області застосування і схемних рішень.

Електронні генератори сигналів – це електронні пристрої, які перетворюють енергію сторонніх джерел живлення в електричні коливання необхідної форми, частоти і потужності.  Електронні генератори входять складовою частиною в різноманітні електронні прилади і системи.

Класифікація генераторів здійснюється за такими ознаками: форма коливань; частота коливань; вихідна потужність; призначення; тип використаного активного елемента; вид частотно-вибіркового кола зворотного зв’язку. За призначенням генератори поділяються на технологічні; вимірювальні; медичні; зв’язку. За формою коливань генератори поділяють на генератори гармонічних і негармонічних (імпульсних) сигналів.

За вихідною потужністю генератори поділяють на малопотужні
(менше 1 Вт); середньої потужності (менше 100 Вт); великої потужності (більше 100 Вт). За частотою генератори можна поділити на наступні групи: інфранизькочастотні (менше 10 Гц); низькочастотні (від 10 Гц до 100 кГц);  високочастотні (від 100 кГц до 100 МГц) і надвисокочастотні (вище 100 МГц).

За видом використаних активних елементів генератори поділяють на лампові, транзисторі, на операційних підсилювачах, на тунельних діодах, на динисторах. За типом  частотно-вибіркових кіл зворотного зв’язку: на генератори LC-; RC- і  RL-типів. Крім того, зворотний зв’язок в генераторах може бути зовнішній або внутрішній.

Теорія електронних генераторів гармонічних коливань розпочала свій розвиток з початком розвитку електроніки. Математичні основи загальної теорії нелінійних коливань були розвинуті в працях вітчизняних і зарубіжних вчених. В цих працях дано всесторонній теоретичний аналіз нелінійних коливних систем, які основані як на квазілінійних, так і суттєво нелінійних уявленнях про процеси, що протікають у коливних системах, в яких граничний цикл коливань аналізованого процесу вважається незмінним. Саме в рамках цих теоретичних  уявлень довгий час і розвивалися багаточисельні технічні пропозиції автоколивних систем, в тому числі генератори гармонічних коливань, серед яких чисельну групу складають  RC-генератори.

       Класичним рішенням побудови низькочастотного генератора гармонічних коливань є індуктивно-ємнісні LC-генератори, проте останнім часом у низькочастотному діапазоні більшого поширення набули резистивно-ємнісні RC-генератори. Це зумовлено великими масогабаритами, нетехнологічністю, потребою використання феромагнітних матеріалів в індуктивних елементах LC-генераторах на низьких частотах, що приводить до зниження стабільності. Діапазони частот таких генераторів є відносно низькими. Цих недоліків позбавлені RC-генератори, що мають достатньо широкий діапазон частот, нестабільність частоти яких переважно  не перевищує 1%.      Шляхом зміни параметрів частотнозалежної ланки можна добитись зміни частоти в широких межах.

По мірі розвитку та удосконалення елементної бази (від лампової техніки та напівпровідників, а потім мікроелектроніки) були запропоновані різноманітні схемотехнічні рішення, які використовували нові можливості цих елементів, але залишався незмінним сам принцип стабілізації граничного циклу в генераторах, що грунтується на використанні нелінійних властивостей елементів різної фізичної природи. Стабільність амплітуди таких генераторів знаходиться в межах (1÷3)% при коефіцієнті нелінійних спотворень на рівні (0,5÷2) %. При цьому природні обмеження, які присутні у традиційних методах стабілізації амплітуди не дозволяють одночасно відповідати високим вимогам стабільності амплітуди і малому рівню нелінійних спотворень.

Разом з тим існують численні задачі, які вимагають наявності джерел гармонічних сигналів з стабільністю амплітуди (0,01÷0,1) %  при рівні нелінійних спотворень (0,005÷0,05) %. Такі джерела потрібні при спектральних методах досліджень прецизійних радіоелементів, а також при перевірці і калібровці цифрових вимірювальних приладів. Поряд з високими вимогами до статичних параметрів виникають додаткові вимоги до динамічних характеристик генераторів, оскільки час перехідних процесів  при програмному переналагодженні вихідного сигналу визначається продуктивністю інформаційно-вимірювальних систем в цілому.

Протиріччя, що виникли між вимогами практики і обмеженнями можливостями застосованих принципів генерування сигналів, було вирішено шляхом побудови генераторів з системами автоматичної стабілізації амплітуди і частоти вихідного сигналу. Використання ідей теорії автоматичного керування дозволило суттєво покращити метрологічні характеристики генераторів і разом з тим вирішувати нові нетрадиційні для цієї області задачі.

1. Огляд існуючих технічних рішень

Темою даного курсового проекту є побудова генератора синусоїдальних коливань, який працює в діапазоні низьких частот. Класичним схемним рішенням генератора синусоїдальних коливань, що зародилося з часів початку розвитку радіотехніки, є індуктивно-ємнісні  генератори, які зібрані за схемою індуктивної або ємнісної триточки.

Однак в  останні роки їх витіснили, особливо в низькочастотному діапазоні, резистивно-ємнісні RC-генератори. Це зумовлено тим, що на низьких частотах індуктивні елементи мають дуже велику масу і габарити і вимагають застосування феромагнітних матеріалів, що знижує їх стабільність. Ці недоліки відсутні в RC-генераторах. Область їх застосування дуже широка, а діапазон частот – від часток герца до сотень кілогерц і навіть одиниці мегагерц. При цьому стабільність частоти і форма кривої досягає часток відсотка, а при застосуванні операційних підсилювачів ці параметри ще покращуються. Однією з особливостей RC-генераторів є можливість регулювання частоти в широких межах.

В генераторах RC-типу в якості активного елемента використовують транзистори, операційні підсилювачі (ОП) та інші підсилювальні елементи, які охоплюють додатним частотнозалежним зворотним зв’язком. Елементи частотнозалежних ланок не мають резонансних властивостей, тому частота генерації RC-генераторів є квазірезонансною.

RC-генератор з фазоповертаючим ланцюжком з заземленими конденсаторами

Для отримання фазового зсуву  рівного 180^о , кількість ланок в колі повинна бути не менше трьох. Коефіцієнт передачі трьохланкових ланцюжкових RC-кіл рівен 1/29 (на резонансній частоті). Частота коливань генераторів с ланцюжковими RC-ланками визначається резонансною частотою цієї фазозадаючої ланки (при ідеальному ОП).

Для цієї схеми при R₁=R₂=R₃=R₄=R і C₁=C₂=C₃=C₄=C , резонансна частота визначається за формулою:

При цьому умову самозбудження можна записати у вигляді:

Стабілізація амплітуди і зменешення нелінійних спотворень в даній схемі досягається введеням автоматичної підстройки коефіцієнта передачі підсилювача або нелінійного обмежувача вихідної напруги.

RC-генератор з фазоповертаючим ланцюжком з заземленими резисторами

Основними елементами генератора є: операційний підсилювач в інвертуючому включенні, в робочому діапазоні частот якого вхідна і вихідна напруги змінюються в протифазі (Різниця фаз дорівнює π), і блок зворотного зв"язку  у вигляді триланкового ланцюжка RC.

Для спрощення аналізу ємності і опори в ланцюжку взяті однаковими.

Якщо в системі існують стаціонарні гармонійні коливання з частотою ω₀, то на цій частоті повинні виконуватися :

умова балансу амплітуд

і умова балансу фаз

Баланс амплітуд означає, що втрати енергії в колі зворотного зв"язку за кожен період коливань компенсуються за рахунок посилення коливань в підсилювачі. Баланс фаз означає, що повний зсув фаз при проходженні сигналу через підсилювач і ланцюг зворотного зв"язку дорівнює нулю або числу, кратному 2π. Для того, щоб коливання в системі були чисто гармонійними, необхідно, щоб умови балансу фаз і амплітуд виконувалися тільки для однієї частоти. ω = ω₀

Якщо для як завгодно малих коливань виконується умова самозбудження , що означає перевищення вкладення енергії над втратами, то при включенні генератора в ньому виникнуть наростаючі коливання (режим м"якого збудження). Цей процес розгойдування коливань триватиме до тих пір, поки через нелінійність характеристик елементів, що входять в генератор, не виникне обмеження зростання амплітуди і система не вийде на стаціонарний режим генерації. Як правило, обмеження амплітуди відбувається за рахунок нелінійності амплітудної характеристики підсилювача .

Необхідний для виконання умови балансу фаз додатковий фазовий зсув напруги на φ₁ = π забезпечується операційним підсилювачем в інвертуючому включенні (про це говорить знак «-» у формулі (11)). для

виконання умови балансу амплітуд треба, щоб коефіцієнт посилення

K_U підсилювача був не менше 29.

Таким чином, тільки на одній частоті, яка визначається виразом:

в системі можна забезпечити умови для збудження автоколивань.

RC-генератор з мостом Віна

Операційний підсилювач і резистори R₁, R₂ реалізують підсилювач з коефіцієнтом передачі

Ланцюгом зворотного зв"язку служить міст Віна - Робінсона (міст Віна),.

Передавальна функція мосту Віна

Амплітудно-частотна характеристика приймає максимальне зна-

чення, рівне 1/3, на частоті  

Значення фазочастотной характеристики на цій частоті дорівнює нулю.

Умова балансу амплітуд на частоті ω₀ виконується, якщо коефіцієнт передачі підсилювача A=3. Таке підсилення забезпечується при

На етапі самозбудження для наростання амплітуди коливань має

виконуватися умова  A > 3. В усталеному режимі коефіцієнт передачі

підсилювача повинен зменшитися до 3. Для стабілізації коефіцієнта підсилення в ланцюг зворотного зв"язку ОП включають нелінійні елементи. У найпростішому варіанті в якості резистора R1 включають малопотужну лампу розжарювання, опір якої збільшується в міру її нагрівання. При включенні генератора опір лампи малий і коефіцієнт передачі підсилювача

Зі збільшенням струму через лампу її опір збільшується, а коефіцієнт посилення А падає. У генераторі настає усталений режим. Такий нелінійний зворотний зв"язок в підсилювачі є інерційним і не спотворює форму сигналу.

RC-генератори з мостом Віна використовують для отримання сунусоїдальних коливань частотою від 1 Гц до 200 КГц. Перебудову частоти здійснюють шляхом одночасної зміни опорів резисторів в мості.

2.   Обґрунтування вибору структурної схеми

Для реалізації даного курсового проекту виберемо схему RC-генератора з мостом Віна. Основна перевага такої схеми це простота і зручність регулювання частоти в широкому діапазоні.

RC-генератори з мостом Віна використовують для отримання сунусоїдальних коливань частотою від 1 Гц до 200 КГц.

Коефіцієнт передачі з виходу фазозадаючого ланцюжка на неінвертуючий вихід ОП на резонансній частоті рівен 1/3. Для виконання балансу амплітуд коефіцієнт передачі підсилювача з виходу на неінвертуючий вхід повинен бути рівним трьом, тобто необхідно виконати умову:

Для виконання балансу фаз постійна часу дифференціюючої ланки повинна бути рівною постійній часу інтегруючої ланки:

При R₁=R₂ =R і C₁=C₂ =C частота коливань визначається за формулою:

Для покращення самозбудження, стабілізації амплітуди коливань і зменшення нелінійних спотворень в схемі необхідно використовувати підсилювач з регульованим коефіцієнтом передачі або на виході ОП включити нелінійний обмежувач напруги.

Структурна схема генератора синусоїдальних коливань зображена на рис.2.1 і складається з фазоповертача і операційного підсилювача.

В якості активного елемента використаємо операційний підсилювач з високим коефіцієнтом підсилення, що дозволяє забезпечити високу стабільність частоти та необхідний рівень нелінійних спотворень, а також високу стабільність коефіцієнта підсилення за напругою.

Рис 2.1. Структурна схема генератора

3.   Розроблення принципової схеми та розрахунок основних вузлів

Знаходимо значення R₃ і R₄

Знаходимо значення R₁ і R₂

Знаходимо значення R₅ і R₆

3.1. Розрахунок підсилювача