Генератор трикутних напруг (стр. 2 из 5)

2. Розробка структурної схеми

2.1 Аналіз існуючих методів вимірювання та формування напруги

Генератор - це пристрій, що перетворює енергію джерела живлення в електричні коливання заданої форми, частоти і амплітуди.За формою імпульсів розрізняють генератори прямокутних, трикутних і синусоїдальних імпульсів, генератори пилоподібної напруги.

Пилоподібна напруга виходить в процесі заряду або розряду конденсатора. Напруга пилоподібної форми (лінійно мінілива напруга) характеризуються двома проміжками часу: часом робочого ходу, протягом якого напруга змінюється за лінійним законом, і часом зворотнього ходу, протягом якого напруга повертається до вихідного значення. Зазвичай закон зміни напруги під час зворотного ходу не істотний. У мультівібраторі напруга на частотно-задаючому конденсаторі змінюється від напруги спрацьовування до напруги відпускання за експоненціальним законом, однак буває необхідно отримати коливання трикутної форми з високою лінійністю.

У якості реалізації генератора трикутних напругиможна використовувати багато різних схем. Найбільш ефективними можна вважати схеми підключення на основі операційних підсилювачів, які можуть надають великий коефіцієнт підсилення, який у свою чергу забезпечує досить велику вихідну напругу. Також використання операційних підсилювачів генераторах дозволяє дозволяє забезпечити стабільної частоти від долі герц до сотні кілогерц. Як правило для реалізації генератора використовують схеми підключення під назвою «інтегратор» та «диференціатор», остання методика не є досить вдалою для забезпечення виходу трикутної напруги.

«Диференціатор» сигналу, побудований на операційному підсилювачі.

Являється підсилювачем на високих частотах (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Деференціатор

В такому підключенні здійснюється деференціювання вихідного сигналу.

, (1)

, (2)

, (3)

;(4)

В такому разі дане рівняння показує, що операційний підсилювач диференціює вхідний сигнал з постійною сталою

«Інтегратор» - це метод який найкращим чином задовольняє умову реалізації виходу трикутних імпульсів, який ми і використаємо у даній задачі (рисунок 2.2).

Рисунок 2.1 – Інтегратор

Інтегратор являє собою самим простим пристроєм з реактивних елементів. Якщо на вхід інтегратора подати сигнал

типу меандр , то на виході ми отримаємо трикутну напругу з сталою часу

, (5)

За рахунок віртуального нуля

Звідси:

; (6)

Оскільки на інтегратор необхідно подати прямокутну напругу, то для її генерації використаємо імпульсний генератор.

Імпульсні генератори – призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв’язок.

Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше.

Основні режими імпульсних генераторів:

- автоколивальний – після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми;

- очікування – генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;

- синхронізації – частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.

Формувачі імпульсів – пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронта).

Формувачі імпульсів бувають:

- на логічних елементах;

- з інтегруючим ланцюгом;

- з емітер ним повторювачем;

- на мікросхемах.

Для того щоб сформувати трикутну напругу на інтегратор необхідно подавати прямокутні імпульси. Це ми забезпечимо за допомогою автоколивального мультивібратора (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Автоколивальний мультивібратор

Для забезпечення підсилення амплітуди вихідного сигналу з автоколивального мультивібратора використаємо інвертуючий підсилювач (масштабний підсилювач)(рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Інвертуючий підсилювач.

Тому за допомогою опорів R1 та R2 ми можемо підібрати необхідний коефіцієнт підсилення, який буде забезпечувати нормальну роботу інтегратора. Коефіцієнт передачі ідеального операційного підсилювача не залежить від параметрів операційного підсилювача, а визначається тільки зовнішніми елементами R1 та R2.

; (7)

Але в реальних умовах потрібно враховувати, що операційний підсилювач не ідельний тому накладає певні обмеження.

Для підсилення сигналу на вихід інтегратора використаємо каскад побудований по двотактній схемі на біполярних транзисторах різної провідності (комплементарна пара) (рисунок 2.5). Транзистори вихідного каскаду працюють в режимі класу В, з кутом відсічки

Тобто,

; (8)

Рисунок 2.5 – Підсилювальний каскад на БТ

2.2 Розробка структурної схеми перетворювача

Спрощена структурна схема перетворювача наведена на рисунку 2.6.

Рисунок 2.6 – Спрощена структурна схема

На рисунку 2.6- спрощена структурна схема, на якій :

АМВ – автоколивальний мультивібратор на операційному підсилювачі, використовується для того, щоб сформувати прямокутні імпульси вхідного сигналу з певною частотою. Межі частоти формуються опором Rx.

П – перетворювач, який призначений для формування трикутного імпульсу на виході даної схеми.

ПН – підсилювач напруги, призначений для підсилення величини вихідного сигналу по напрузі до заданого в умові

ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні.

2.3 Попередній розрахунок АМВ

Даний каскад використовується для генерування імпульсів зі сталою напругою та змінною частотою. Особливих вимог до даного генератора не висувається.

Розрахуємо діапазони зміни Rx для для зміни тривалості імпульсу на виході автоколивального мультивібратора

Наведемо можливі межі опору:

кГц,

Розрахуємо динамічний діапазон.

,(9)

Оскільки заданий діапазон є більшим за 10, то виконаємо його розбиття на під діапазони:

, (10)

=2,

,(11)

=5.

,(12)

=1.

Таким чином при проведенні подальших розрахунків необхідно врахувати ці під діапазони при виборі елементів даного вузла схеми.

Для такого ОМВ тривалість сформованого імпульсу:

,(13)

Для зручності оберемо напругу на виході 5В. Період повтору лежить в межах 10мс до 10мкс.

Тому напруга на виході генератора не повинна бути висока для зменшення похибки. Нехай U_вих=5(В), тоді

=(1,2...1,4) U_вих =(6..7)(В)