Генератор синусоидального напряжения

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Декабря 2011 в 06:26, курсовая работа

Описание

В данном курсовом проекте мы проектируем генератор синусоидального напряжения. ГСН представляют собой устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.

Работа состоит из  1 файл

Курсовик.docx

— 691.75 Кб (Скачать документ)

Аннотация 

     Задачей данного курсового проекта будет  разработать цифровой генератор синусоидального сигнала.

     Пояснительная записка к курсовому проекту  состоит из теоретической и собственно проектной части. Теоретическая  часть включает в себя обзор способов формирования периодических сигналов, приведены конкретные схемы, описаны достоинства и недостатки каждого метод.

     Проектная часть содержит принципиальную схему  цифрового генератора с ее обоснованием и расчетом, а также результаты математического моделирования  узлов спроектированного устройства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

      В данном курсовом проекте мы проектируем  генератор синусоидального напряжения. ГСН представляют собой устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.

      Так как генератор сам является источником сигнала, он не имеет входа. Генераторы строятся на основе усилителей с цепями положительной обратной связи, которые  работают в режиме самовозбуждения  на фиксированной частоте. В качестве цепей обратной связи могут использоваться резонансные LC или RC схемы чему соответствует два типа генераторов. 
 

 

      1.Обзорная  часть

      1.1.Назначение  и область применения  электронного устройства.

      Генератор (от лат. generator — производитель) — устройство, аппарат или машина

      Генераторы сигналов — устройства вырабатывающие сигнал (в произвольной энергетической форме) с определёнными математическими свойствами (автогенератор, генератор синусоидальных колебаний, генератор импульсов, генератор шума и т. д.).

     Генератором синусоидального, или гармонического, напряжения (ГСН) называют электронное  устройство, преобразующее электрическую  энергию источника постоянного  тока в энергию незатухающих электрических  колебаний синусоидальной формы.

     Области применения:

  • Устройства связи — радиоприемники (гетеродин в супергетеродинных радиоприёмниках), телевизионные приемники, мобильные телефоны, приёмопередатчики, аппаратура передачи данных и др.
  • Измерительные приборы — осцилографы, измерительные вольтметры, амперметры и др.
  • Медицинское оборудование — электрокардиографы, томографы, рентгенографы, электронные тонометры, аппараты для ультрозвукового исследования (УЗИ), физиотерапевтические приборы и др.
  • Эхолоты.
  • Бытовая техника — программируемые стиральные машины, СВЧ-печи, посудомоечные машины и др.
 

     Различают ГСНпо:

  • Внешнему, или независимому, возбуждению.
  • Самовозбуждению.

     ГСН с внешним возбуждением— это резонансные усилители, работающие в режиме больших амплитуд.

     ГСН с самовозбуждением, называемые обычно автогенераторами, представляют собой автономные электронные устройства, в которых генерирование электрических колебаний происходит благодаря выполнению условий самовозбуждения. Автогенераторы, как правило, применяются в качестве задающих генераторов, колебания которых могут использоваться для возбуждения следующего, более мощного каскада или генератора с внешним возбуждением.

     В зависимости от частоты генерируемых колебаний ГСН подразделяются на :

  • низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц),
  • высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц)
  • сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).
 

     

     Рисунок 1.1 Структурная схема автогенератора. 

     По  виду используемого в ГСН частотно-избирательного четырехполюсника различают:

  • LC-генераторы синусоидального напряжения
  • RC-генераторы синусоидального напряжения.

     Любой автогенератор электрических колебаний  представляет собой усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи (рис. 1.1). При ПОСчасть выходного напряжения через цепь ПОС поступает на вход усилителя в фазе с входным напряжением, обеспечивающим заданное значение . Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено условие . Так как и , то из равенства следует 

     , или

     .     (1.1) 

     Уравнение (1.1) является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебаний. Ему соответствуют два уравнения:  

     ,     (1.2) 

     отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и 

     ,    (1.3) 

     отражающее  баланс фаз, в котором п= 0, 1, 2, 3, …

     Уравнение (1.1) требует от усилителя такого коэффициента усиления, при котором полностью компенсируются потери напряжения, поступающего через цепь ПОС.

     Уравнение (1.3) определяет условие при котором в замкнутой системе (усилитель + цепь ПОС) обеспечивается ПОС.

     Следует отметить, что уравнение (1.2) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. При проектировании автогенератора должно быть выполнено условие . В этом случае при подаче на автогенератор напряжения питания любые сколь угодно малые напряжения на входе (например, напряжения шумов) будут вызывать возрастающие по амплитуде выходные напряжения. По мере увеличения вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителя его коэффициент усиления будет уменьшаться, и стационарное состояние установится при. В зависимости от вида амплитудной характеристики усилителя различают мягкий (рис. 1.2, а) и жесткий (рис. 1.2, 6) режимы самовозбуждения. На рис. 1.2 кривая отражает зависимость выходного напряжения усилителя от входного, поступившего по цепи ПОС, а прямая — зависимость входного напряжения усилителя от выходного. При мягком режиме самовозбуждения для возникновения электрических колебаний в генераторе необходимо и достаточно выполнение условий (1.2) и (1.3). При жестком режиме самовозбуждения, кроме этих условий, для возникновения колебаний в первоначальный момент на входе усилителя необходимо задать напряжение . 

     

     Рисунок 1.2. Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и жестким (б) режимами самовозбуждения 

     Для получения синусоидального выходного  напряжения необходимо, чтобы условия (1.2) и (1.3) выполнялись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный колебательный -контур (последовательный контур применяется очень редко) и -цепи.  

     LC-Автогенераторы

     Существует  множество схем -генераторов, которые отличаются между собой способами включения колебательного контура и создания ПОС. На рис. 1.3, а приведена схема автогенератора с индуктивной трансформаторной (схема Майсснера) ПОС. Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре при подключении к генератору источника питанияЕ, через обмотку передаются в базовую цепь транзистора .Обмотка трансформатораТвключена таким образом, что возникающая при этом переменная составляющая коллекторного тока усиливает переменную составляющую контурного тока, т. е. за счет взаимоиндукции М между усилителем и колебательным контуром действует ПОС Конденсатор предотвращает протекание через контур постоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель уменьшает шунтирование контура по переменному току внутренним сопротивлением источника питания . 

     

     Рисунок 1.3. Схемы транзисторных -автогенераторов с индуктивной трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью. 

     Баланс  амплитуд в автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором необходимого коэффициента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки ), а баланс фаз правильным выбором концов катушки (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине).

     Вместо  трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 1.3, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками. Обобщенная трехточечная схема автогенератора по переменному току показана на рис. 1.4. Характер элементов , и колебательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая:

     если  имеет индуктивный характер, то сумма реактивных сопротивлений и должна носить емкостный характер;

     если  имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений и должна носить индуктивный характер.

     В обоих случаях сопротивление  суммы  должно равняться сопротивлению . 

     

     Рисунок 1.4. Обобщенная трехточечная схема автогенератора. 

     Характер  реактивности элемента , с которого снимается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента . Только в этом случае ОС будет положительной.

     Схему автогенератора, у которого и — индуктивные катушки, а — конденсатор, называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого и — конденсаторы, а катушка индуктивности (рис. 1.5), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой (схемой Колпитца).

     Во  всех рассмотренных типах автогенераторов  частота генерируемых колебаний  в основном определяется элементами контура  

     .     (1.4) 

     для автогенератора, выполненного по емкостной  трехточечной схеме, под следует понимать емкость  

     .

     

     Рисунок 1.5. Транзисторный -автогенератор, выполненный по схеме «емкостная трехточка» 

     

     Рисунок 1.6. Схема -автогенератора на ОУ. 

     Для построения -генераторов гармонических колебаний удобно использовать интегральные усилители: однокаскадные, дифференциальные, операционные и др. На рис. 1.6 показан вариант возможной реализации -генератора синусоидальных напряжений на интегральном ОУ. Колебательный контур включается между.выходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нужную ПОС. В цепь ООС для стабилизации амплитуды, генерируемых колебаний включают терморезистор с отрицательным ТК. Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.  

     RC- Автогенераторы

     На  частотах менее 50 кГц вследствие увеличения требуемых значений иСувеличиваются размеры катушек и конденсаторов и одновременно ухудшается добротность колебательного контура и стабильность его параметров. Поэтому на низких частотах вместо -автогенераторов обычно используют -автогенераторы, которые в этом диапазоне частот, особенно в нижней его части, обладают существенными преимуществами.  

     

     Рисунок 1.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристика моста Вина, используемого в транзисторном -генератора (в). 

     На  рис. 1.7 а, б показаны передаточная (АЧХ) и фазо-частотная характеристики моста Вина.Из рисунка видно, что на некоторой частоте , называемой частотой квазирезонанса, коэффициент передачи моста Вина оказывается вещественной величиной с максимальным значением и нулевым фазовым сдвигом . Так как один каскад усиления вносит фазовый сдвиг , то для получения нулевого фазового сдвига на входе усилителя усилитель должен содержать четное число инвертирующих каскадов (рис. 1.7, в). Для выполнения условия баланса амплитуд (1.2) на частоте квазирезонанса усилитель должен иметь коэффициент усиления . Так как в двухкаскадном усилителе можно получить , то это позволяет ввести в усилитель, кроме положительной, отрицательную ОС, обеспечиваемую элементами и . Введение в цепь ООС терморезистора с отрицательным ТКR позволяет осуществить стабилизацию амплитуды генерируемых колебаний. Действительно, увеличение амплитуды, вызванное различными факторами, вызывает увеличение тока через резистор . При этом сопротивление его уменьшается, что приводит к увеличению напряжения ООС, создаваемого на, и уменьшению коэффициента усиления усилителя.

Информация о работе Генератор синусоидального напряжения