Программно управляемый генератор линейно-нарастающего напряжения сверхнизкой частоты на микроконтроллере (стр. 1 из 3)

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Харьковский Национальный Университет Радиоэлектроники

Курсовая работа

Программно управляемый генератор линейно-нарастающего напряжения сверхнизкой частоты на микроконтроллере

Харьков 2011

Введение

Генераторы линейно – изменяющегося напряжения называют иногда генераторами развёртки, хотя этот термин не отражает их гораздо более широкого применения. Из области разверток заимствованы названия двух основных частей пилообразного импульса: прямой ход (главный, почти линейный участок t п ) и обратный ход (сравнительно короткий участок t о, форма которого обычно несущественна).

Пилообразное напряжение это такое напряжение, которое нарастает или спадает линейно в течение некоторого отрезка времени, называемого временем рабочего хода tо достигает первоначального значения. Такое напряжение используется устройствах сравнения, для горизонтальной развёртки электронного луча в электронно-лучевой трубке в других устройствах. Возврат луча в исходное положение должен происходить, возможно, быстрее, вследствие чего спадающий участок пилообразного напряжения должен иметь большую крутизну и малую продолжительность.

Пилообразные импульсы можно получить с помощью любого релаксатора: мультивибратора, одно вибратора или блокинг-генератора. Поэтому генераторы пилообразного напряжения составляют особый класс импульсных устройств и заслуживают специального рассмотрения. Генераторы линейно-изменяющегося напряжения являются широко известными устройствами импульсной техники. В данной курсовой работе будет рассмотрено создание генератора линейно-спадающего напряжения на МК ATMega8515.

1. Обзор аналогичных устройств

1.1Простейший генератор пилообразного напряжения (ГПН)

В простейшем случае, когда не требуется высокая линейность рабочего участка выходного напряжения, применяют заряд (рисунок 1.1,а) или разряд конденсатора через резистор R. После размыкания ключа Кл конденсатор заряжается по закону:

u=E(1-e -t/τ), гдеτ=RC.

Если во время рабочего хода использовать лишь начальный участок экспоненты, т.е. при tраб<<τ, или, другими словами, при Um<<E, можно считать u(t) при 0≤t≤tраб линейно изменяющимся напряжением. Учитывая, что iнач=E/R, а iкон=(E-Um)/R, находим коэффициент нелинейности:

ε=Um/E. (1.1)

Можно определить ε и по формуле

ε=Um/E=1-e-tраб/τ≈ tраб/τ.

Из (1.1) следует, что коэффициент нелинейности ε оказывается равным Um/E. Обычно это соотношение называется коэффициентом использования источника питания. При этом для получения достаточно малого значения ε приходится выбирать значение E во много раз большим амплитуды Um т.е. плохо использовать напряжение источника питания. Таким образом, простейшая схема с зарядом или разрядом конденсатора через резистор оказывается пригодной лишь при сравнительно невысокой линейности (примерно 10%).

Принципиальная схема простейшего ГПН с транзисторным ключом и соответствующие временные диаграммы напряжения приведены на рисунке 1.1б и 1.1в согласно[2].

Рисунок 1.1-Принципиальная схема ГПН с транзисторным ключем и соответствующие временные диаграммы

1.2Классификация ГПН со стабилизаторами тока

Как уже указывалось выше, принцип действия схем генераторов пилообразного напряжения заключается в использовании заряда или разряда конденсатора во время рабочего хода через стабилизатор тока. Учитывая принципиальную общность почти всех применяемых на практике схем генераторов, целесообразно рассматривать их как варианты одной и той же схемы. При этом они отличаются друг от друга, главным образом, лишь способом создания напряжения в цепи стабилизатора тока. Согласно [2] по этому классификационному признаку различают следующие типы генераторов:

1). Генераторы, в которых стабилизатор тока реализован в виде отдельного структурного элемента со специальным источником напряжения Ест.

2). Генераторы, в которых источник напряжения Ест стабилизатора тока реализован в виде заряженного конденсатора. Необходимо отметить, что этот генератор по другому классификационному признаку часто относят к группе компенсационных устройств. Идея построения таких устройств основана на том, что стабилизация зарядного (или разрядного) тока конденсатора С может быть достигнута, если последовательно с ним включить источник, напряжение которого изменяется по тому же закону, что и на конденсаторе С, но имеет обратную полярность. Роль такого источника напряжения выполняет усилитель. В зависимости от способа включения усилителя различают схемы с положительной и отрицательной обратной связью.

Рисунок 1.2- компенсационный генератор с ООС (а), с ПОС(б).

На рисунке 1.2а показан вариант функциональной схемы компенсационного генератора с положительной обратной связью (ПОС): если коэффициент усиления усилителя К0=+1, то повышение потенциала в точке а1 при заряде конденсатора С компенсируется точно таким же повышением потенциала в точке а2, и зарядный ток i останется неизменным. Конечно, в практических схемах вследствие того, что коэффициент усиления К0 не остается в процессе работы постоянным и точно равным 1, а так же в результате нестабильности других параметров схем наблюдается определенное не постоянство тока i и большее или меньшее значение коэффициента нелинейности напряжения на конденсаторе и выходного напряжения uвых. Генератор, реализующий функциональную схему на рисунке 1.2а, называют компенсационным генератором с ПОС.

3). Генераторы, в которых роль источника напряжения стабилизатора тока выполняет источник питания схемы. Такой генератор по другому классификационному признаку относится к компенсационным генераторам с ООС (отрицательной обратной связью); функциональная схема такого генератора показана на рисунке 1.2б.

1.3 Генераторы пилообразного напряжения на операционных усилителях

Интегрирующее включение операционного усилителя, обеспечивающего получение выходного напряжения, пропорционального интегралу от входного напряжения, предполагает включение конденсатора в цепь отрицательной обратной связи. Поэтому генераторы пилообразного напряжения на операционных усилителях строят по принципу генераторов с обратной связью, интегрирующих постоянное напряжения источника питания, которое для них является входным.

На рисунке 1.3а показана схема генератора пилообразного напряжения с интегрирующей RC-цепочкой, включенной в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя.

2. Обоснование выбранного варианта технического решения

Преимущества реализации генератора линейно нарастающего напряжения на микроконтроллере:

-компактность прибора;

-возможность программного управления устройством;

-простота схемного решения;

-точность формирования импульсов различной частоты;

-простое управление режимом работы с помощью клавиатуры;

-отображение частоты генерируемых импульсов на ЖКИ.

Схема разрабатываемого генератора приведена на чертеже РТ 468.524.008 ЭЗ. В схеме применяется микроконтроллер фирмы ATMEL – ATMega8515. Микросхема создана на основе ядра Mega, имеет в своём составе 8-разрядный и 16-разрядный таймеры для формирования временных задержек и 4 порта для ввода и вывода информации с внешних устройств.

Основные технические характеристики микроконтроллера:

-Форма входного сигнала -произвольная

-Максимальная амплитуда входного сигнала, 20В

-Дискретность отсчета частоты, 10Гц

-Время измерения, 100мс

-Период повторения измерений, 200 мс

-Напряжение питания, 5В

Цифровое значение амплитуды необходимо подавать на ЦАП, который преобразовывает его в аналоговую форму. В работе был использован параллельный восьмиразрядный ЦАП AD5601 фирмы Analog devices.

Регулировка амплитуды производится потенциометром R1, подключенным ко входу управления ЦАП. Так как нагрузка низвоомная( 50 ОМ), то для согласования сопротивления нагрузки с выходом устройства, применяется эмитерный повторитель на транзисторе 2N636. Для преобразования выходного сигнала микроконтроллера из уровня TTL в более мощный сигнал, а также для согласования устройства с нагрузкой (генератор работает на низкоомную нагрузку), используется выходной каскад. В качестве выходного каскада применён транзистор VT1. При появлении на выводе 6 импульса, он поступает через резистор R4 на базу VT1. В связи с тем, что величина импульса значительно меньше напряжения на эмиттере, т.е. база имеет менее положительный потенциал, транзистор открывается на время, равное длительности импульса. Резистор R4 ограничивает выходной сигнал микроконтроллера до значения, необходимого для нормальной работы транзистора VT1. В то время, когда открыт транзистор, в нагрузке протекает ток источника питания, т.ё. на нагрузке появляется импульс с амплитудой, равной амплитуде напряжения питания. Таким образом, осуществляется усиление последовательности импульсов. Так как выходом является коллектор, а такая схема включения имеет низкое выходное и достаточно высокое входное сопротивление, то этот каскад успешно выполняет функцию согласования выхода микроконтроллера с нагрузкой, так как по ТЗ генератор должен работать на низкоомную нагрузку.

Применены непроволочные тонкослойные металлодиэлектрические резисторы марки C2-23 постоянного сопротивления. У данных резисторов в качестве резистивного элемента используется тонкая плёнка слоя проводящего металла, поэтому они характеризуются повышенной теплостойкостью. Резисторы имеют невысокую стоимость.

Питание генератора осуществляется с помощью трансформатора, выпрямительного мостика и интегрального стабилизатора 78LR05.