Реферат: Расчет релаксационного генератора на ИОУ

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

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 t_u, мкс – 35

·     длительность фронта выходного импульса , мкс -

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

            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.

            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:

где Т=0,09 мс – период следования импульсов

       t_u=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

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:

Период следования импульсов в нашем случае равен:

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).

            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

                        U_{вых мах}=10, В

                        U_{сф м}=10, В

                        К_u=50000

                        R_вх=10000 МОм

                        R_вых=1 кОм

                        V_{u 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.

 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.

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