Реферат: Расчет релаксационного генератора на ИОУ

КУРСОВАЯ РАБОТА ДИСЦИПЛИНА: Электроника ТЕМА: Расчет релаксационного генератора на ИОУ ИСПОЛНИТЕЛЬ: ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ… 3

ВВЕДЕНИЕ… 4

1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ… 7

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ… 11

3. СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ… 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ… 18

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ… 19

ЗАДАНИЕ

Разработать и рассчитать релаксационный генератор на ИОУ

(интегральной схеме операционного усилителя) в соответствии с данными, представленными:

вид генератора — мультивибратор

режим работы – автоколебательный

период следования импульсов Т, мс – 0.09

длительность выходного импульса tu, мкс – 35

длительность фронта выходного импульса, мкс — />

Проанализировать нестабильность длительности генерируемых импульсов разработанного релаксационного генератора в зависимости от разброса параметров навесных элементов.

ВВЕДЕНИЕ

            Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний. Кроме очевидных случаев автономных генераторов (а именно генераторы синусоидальных  сигналов, генераторы каких-либо функций, импульсные генераторы)  источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими колебаниями.

Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний  специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ (накопители на магнитной ленте или магнитных дисках, устройство печати, алфавитно-цифровой терминал), почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с “многократным отображением”) и во множестве других устройств.

Устройство без генератора либо, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор).

            В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник  регулярных  импульсов («часы» в цифровой системе); от него может потребоваться стабильность и точность (например, опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приемника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы (как например, генератор горизонтальной развертки осциллографа).

            Возможность построения мультивибратора на ИОУ (интегральный операционный усилитель) обусловлена тем, что при соединении выхода ИОУ с его неинвертирующим входом получаем замкнутую резисторную или резисторно-конденсаторную цепь положительной обратной связи, обеспечивающую возможность возникновения лавинообразных процессов.

При этом напряжение на выходе ИОУ меняется скачкообразно от своего максимального до минимального значения и наоборот – при изменении  знака напряжения входного дифференциального сигнала.

            В импульсных устройствах широкое применение находят генераторы, выходное напряжение которых имеет форму, резко отличающуюся от синусоидальных. Колебания такой формы носят название релаксационных и бывают прямоугольными, пилообразными, пилообразно-импульсными и т.д.

            Мультивибратор является релаксационным генератором. Он может работать в режиме автоколебаний, либо в ждущем режиме.

            В режиме автоколебаний он не имеет состояния устойчивого равновесия. При работе мультивибратора в этом режиме существуют два чередующихся состояния квазиравновесия. Состояние квазиравновесия характеризуется сравнительно медленным изменением токов и напряжений, приводящих к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода мультивибратора из одного состояния в другое. Период колебаний при этом зависит от параметров схемы.

            В ждущем режиме мультивибратор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого во второе происходит в результате воздействия внешних запускающих импульсов, а возвращение в устойчивое состояние  — самостоятельно по истечении некоторого времени, зависящего от параметров схемы.

1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ

            Итак, мультивибратор – это релаксационный генератор, вырабатывающий импульсы почти прямоугольной формы. При выборе схемы реализации данного устройства мы будем стараться найти оптимальный вариант между простотой, низкой стоимостью и исходными данными задания.

Найдем скважность генерируемых импульсов:

/> (1)

где Т=0,09 мс – период следования импульсов

       tu=35 мкс – длительность выходного импульса

            В нашем случае требуется получить генерируемые импульсы большой скважности, следовательно, цепь заряда конденсатора должна отличаться от цепи разряда.

Выберем схему мультивибратора на ОУ, приведенной на рисунке №1.        

В данном случае положительная обратная связь обеспечивается делителем напряжения на резисторах R1, R2.

            В момент t=0 (рис.2) включается источник питания ИОУ. При этом начинает возрастать, а следовательно, и напряжение, снимаемое с делителя R1, R2 и поданное на вход />, что вызывает дальнейшее увеличение выходного напряжения, т.е. происходит лавинообразный процесс, в результате которого  скачкообразно возрастает до значения  (это первое состояние квазиравновесия), а — до значения />, где

/> (2)

Напряжение /> при этом практически не изменяется и равно нулю.

            С увеличением t за счет заряда конденсатора через резистор увеличивается напряжение /> по экспоненциальному закону

до значения Е.

            В момент времени /> . При этом />уменьшается лавинообразно, меняя полярность на противоположную. В результате окончания этого лавинообразного процесса, а />.

Конденсатор начинает разряжаться через резистор />и стремится перезарядиться до напряжения  .

            В момент, когда при перезагрузке конденсатора напряжение  достигает значения />, вновь возникает регенеративный процесс, завершающийся переключением схемы во второе состояние квазиравновесия.

            Таким образом, периодически происходит переход из одного состояния квазиравновесия в другое.

            Первый импульс имеет меньшую длительность, т.к он формулируется при зарядке конденсатора от нуля до, и определяется по формуле: />, где

            Последующие импульсы определяются по формуле:

/> (3)

Период следования импульсов в нашем случае равен:

/>, (4)

где   />и — сопротивления зарядного и разрядного резисторов соответственно.

            Синфазный сигнал /> мал и, а максимальный дифференциальный сигнал .

            При выборе интегральной схемы операционного усилителя (ИОУ) необходимо обратить особое внимание на тот факт, что во избежании выхода из строя ИОУ требуется выполнение условия, следовательно, />, где — допустимый дифференциальный сигнал.

            Выбор резисторов /> и  с одной стороны должен обеспечивать выполнение вышеуказанного условия для, а с другой стороны – обеспечивать требуемую по заданию длительность генерируемого импульса  по формуле (3).

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

            Опираясь на результаты теоретической части данной работы, выберем ИОУ, удовлетворяющий основным требованиям задания и выбранной схемы реализации мультивибратора, а также произведем расчет отдельных элементов схемы обеспечивающих выполнение требуемых параметров устройства.

            Выберем К574УД1 – быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе. Обладает высоким входным сопротивлением, большой частотой единичного усиления и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.

            Допустимые значения параметров:

                        E=/>15, B

                        Uвых мах=/>10, В

                        Uсф м=/>10, В

                        Кu=50000

                        Rвх=10000 МОм

                        Rвых=1 кОм

                        Vu вых=90 в/мкс

1) Согласно теоретической части работы:

                        />

                        />, следовательно

                        />, также

                        />

            2) Подберем параметры резисторов R1 и R2.

            Реальные значения  /> и  оказывают влияние на длительность и форму генерируемых импульсов. Однако это влияние незначительно, если

сопротивления резисторов R1 и R2  удовлетворяют неравенствам:

/> />

            Следовательно, R1 и R2 должны лежать в пределах от  

1 кОм до 10000 МОМ, а также должно выполняться /> .

            Возьмем />кОм и кОм

/>условие выполнено.

            3) Подберем параметры для времязадающей цепи:

Чем меньше />, тем быстрее происходит перезаряд конденсатора и тем выше частота выходного сигнала.

            Однако следует иметь в виду, что при малых значениях постоянной времени может наблюдаться явление возбуждения паразитных колебаний. Для обеспечения устойчивости генерации коротких импульсов целесообразно использовать наиболее рациональный путь – уменьшение коэффициента связи по неинвертирующему входу />при значениях времязадающей цепи, превышающих критическую величину. При этом стабильная работа мультивибратора наблюдается при значениях .

/>

/>

/>с

            Необходимо подобрать параметры />,  и /> таким образом, чтобы  выполнить равенство.

            />с.

Выберем /> Ом  , Ом ,/>Ф  учитывая, что на разряд конденсатора времени должно уйти больше чем на заряд.

            /> с.

            />мс.

            4) Длительность фронтов выходных импульсов в рассматриваемом мультивибраторе зависят от предельной скорости вых нарастания выходного напряжения используемой микросхемы операционного усилителя:     , у нас по условию задания />мкс.

/>условие выполнено.

            Длительность фронта выходного импульса. Чем меньше отношение /> тем форма импульса ближе к прямоугольной.

/>

           

/>


3. СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ № п/п Обозначение Тип Количество 1 /> Резистор МЛТ-0,5 – 1.3 кОм 5% 1 2 /> Резистор МЛТ-0,5 – 3.6 кОм 5% 1 3 /> Резистор МЛТ-0,5 – 9.1 кОм 5% 1 4 /> Резистор МЛТ-0,5 – 4.7 кОм 5% 1 5 /> Конденсатор К1030 – 0.01 мкФ 1 6 /> Операционный усилитель К574УД1 1 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 В курсовой работе был разработан релаксационный генератор на ИОУ с большой скважностью генерируемых импульсов в режиме автоколебания. В процессе ее выполнения получены навыки выбора схемы и ее элементов в зависимости от необходимого результата.

Приобретены знания об основных свойствах интегральных операционных усилителей, используемых при построении импульсных генераторов различного назначения, в частности с использованием в данной курсовой работе ИОУ К574УД1.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. П. М. Грицевский, А. Е. Мамченко, Б. М. Степенский        Основы автоматики, импульсной и вычислительной техники. — М.;             «Радио и связь», 1987г.

2. П. Хоровиц, У. Хилл                 Искусство схемотехники-1 – М.;           «Мир» 1993 г.

3. Справочник:  Интегральные микросхемы. Операционные усилители Том I. – М.; ВО  «Наука» 1993г.

                       

ПРИЛОЖЕНИЕ

/>

/>

/>