Конструирование и расчет генератора синусоидальных импульсов с усилителем мощности

Министерство  образования РБ 

Лидский колледж учреждения образования  «Гродненский государственный

университет имени Янки Купалы». 

Проектирование  генератора звуковой частоты с усилителем мощности

Курсовой  проект

Пояснительная записка

КР 2–380131.037.000.П3

     Разработал:                Д.И.Бубен

      Руководитель:         В.Е.Мишин

 

2007 

Введение

   Промышленная  электроника является частью общего понятия – электроника. Электроника  представляет собой бурно развивающуюся  отрасль науки и техники. Электроника  представляет собой отрасль науки и техники, занимающуюся изучением принципов устройства, работы и применения различных электронных приборов.

     К физической электронике относят: электронные  и ионные процессы в газах и  проводниках. На поверхности раздела  между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется Промышленной Электроникой.

     Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50–е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолокации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

   Современный этап развития техники характеризуется  все возрастающим проникновении  электроники во все сферы жизни  и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно–технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Предметами научных исследований в электронике являются:

1.      Изучение законов взаимодействия  электронов и других заряженных  частиц с эл./магнитными полями.

2.      Разработка методов создания  электронных приборов в которых  это взаимодействие используется для преобразования энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания энергетических устройств, создания контрольно–измерительной аппаратуры, средств научного эксперимента и других целей. 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Анализ  технического задания

Генератор звуковой частоты — один из популярных измерительных приборов. Он обладающий хорошими параметрами и в то же время простой по конструкции.

     Обычно  генератор звуковой частоты используют при налаживании монофонических и стереофонических усилителей ЗЧ, снятии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), проверке искажений сигнала различными усилительными устройствами. Для проведения таких работ желательно пользоваться генератором с диапазоном частот 10 Гц... 100 кГц, амплитудой выходного сигнала до 1 В. Важно также, чтобы она не изменялась при изменении частоты генератора. И, конечно, коэффициент гармоник генератора должен быть возможно малым (0,1.. .0,2 %).

Чтобы выполнить подобные требования, генератор  можно построить на базе усилителя с частотно-зависимой цепью положительной обратной связи. В качестве такой цепи обычно используют так называемый мост Вина либо двойной Т-мост. Малые нелинейные искажения удается получить при подборе элементов моста с большой точностью. Правда, это относится к генератору с фиксированной частотой. Для перестраиваемого же генератора возникают дополнительные сложности из-за необходимости подбирать сдвоенный переменный резистор с согласованным (с точностью не хуже 1 %) изменением сопротивления каждого резистора.

     Однако  существуют генераторы, в которых  в частотозадающих цепях стоят  фазовращатели. Они позволяют получить малые нелинейные искажения без  специального подбора элементов.

      В качестве генератора звуковой частоты  могут применяться RC-генераторы, а так же мультивибраторы.

     Усилитель мощности предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без  искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами  многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. Усиление напряжения в нём является  второстепенным фактом.          Для того  чтобы  усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие R_вых= R_{н .} 

              Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность P_н , коэффициент полезного действия h , коэффициент нелинейных искажений K_г   и полоса пропускания АЧХ.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разработка  принципиальной схемы

Разработка  принципиальной схемы генератора звуковой частоты.

В качестве генератора звуковой частоты могут  быть RC-генератор, мультивибратор показанные на (Рис.   ).

            а)      б)

     Рис.  

а) –  схема мультивибратора; б) – схема  RC-генератора; 

     Мультивибратор  – это релаксационный генератор прямоугольных импульсов с самовозбуждения. Мультивибратор, как и триггер, представляет собой двухкаскадный реостатно-емкостный усилитель на транзисторах, включен6ных по схемы с общим эмиттером. Выход каждого каскада этого усилителя соединен со входом другого каскада, а в результате чего обеспечивается глубокая положительная обратная связь.

           Мультивибратор может  быть симметричным и несимметричным. Если выполняется условие R_К1 =R_К2; R_Б1= R_Б2; C₁=C₂ и транзисторы однотипны, то мультивибратор называется симметричным и скважность выходного сигнала U_К1 или U_К2 равно двум.

       Рассмотрим работу симметричного  мультивибратора как наиболее  простого. Так как схема симметрична,  то можно предположить, что после  её включения токи в транзисторах  и напряжения на конденсаторах достигает одинаковой величины и мультивибратор будет  находиться в равновесии. 

     Однако  устойчивое состояние, при котором  оба транзистора открыты, невозможно. Устройство мгновенно переходит  в состояние, при котором один транзистор открыт, а другой закрыт. В этом состоянии транзистор поддерживается в режиме насыщения отрицательным смещением, которое подаётся от - E_К через резистор R_Б , а закрытый – в состоянии отсечки положительным напряжением ёмкости, прикладываемым к базе. Это состояние мультивибратора сохраняется до тех пор, пока не разрядиться ёмкость, поддерживающая один транзистор запертым. Как только заряд ёмкости закончится, схема переключится в новое состояние. Таким образом транзисторы в мультивибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки или в режиме насыщения и с каждого коллектора можно снять прямоугольные импульсы с амплитудой , почти равной величине источника питания.

     Расчёт  мультивибратора разбивается на расчёт статического режима из условия  надёжного обеспечения двух временно устойчивых состояний и расчёт динамического режима из условия обеспечения необходимого быстродействия и частоты следования импульсов.

     Исходными данными для расчёта обычно являются: амплитуда выходного напряжения U_m (или напряжение источника питания E_К ), частота f, длительность импульса (если мультивибратор несимметричный) и длительность фронта импульса.

     В процессе расчёта необходимо выбрать  тип транзистора, определить значения напряжения источника питания E_К (если оно не задано), величину ёмкости конденсатора C₁, значение резистора смещения R_Б и нагрузки R_К. 
 
 
 
 
 
 
 

Разработка  принципиальной схемы  усилителя мощности.

В качестве усилителя мощности могут быть усилители  мощности низкой частоты, а так же однотактные усилители мощности работающие в режиме А (Рис.    )

            а)     б)    

     Рис.

а) – схема  однотактного усилителя мощности работающего  в режиме А;

б) – схема  усилителя мощности низкой частоты;  

        Усилитель мощности низкой частоты  предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. Усиление напряжения в нём является  второстепенным фактом. Для того  чтобы  усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие R_ВЫХ= R_Н .               

 Основными  показателями усилителя мощности  являются: отдаваемая в нагрузку  полезная мощность P_Н , коэффициент полезного действия h , коэффициент нелинейных искажений K_Г и полоса пропускания АЧХ.  

        Для повышения стабильности работы  усилителя мощности предварительный  и оконечный каскады охвачены  общей последовательной отрицательной  обратной связью (ООС) по напряжению. В качестве разделительного элемента на входе УМ применён конденсатор C_Р . В качестве источника питания применён двухполярный источник с напряжением E_К = ± 15 В.

      Режим класса А характеризуется  низким уровнем нелинейных искажений (K_Г £ 1%) низким КПД  (h <0,4). На выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1)  в режиме класса А  рабочая точка ( IK0 и UKЭ0) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы.  При работе в режиме класса А транзистор всё время  находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любой момент. Режим усиления класса А  применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения  а  P_Н  и h не имеют решающего значения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Разработка структурной схемы.    

 

 
 

     Как видно из рисунка данное устройство состоит из четырёх основных блоков: генератор звуковой частоты, усилитель  мощности, блок питания, громкоговоритель.

     В этой схемы в роли генератора звуковой частоты служит мультивибратор на p-n-p транзисторах.

     В роли усилителя мощности служит усилитель  мощности нижней частоты.

    В блок питания входит выпрямитель, представляющий из себя диодный мост на диодах VD1-VD4, полевой и биполярный транзисторы VT5 и VT4.

    В виде нагрузки используется громкоговоритель 0,15ГД-1. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчёт  усилителя мощности

Произведём  расчёт двухтактного усилителя мощности по следующим параметрам :

Полоса  усиливаемых частот F₁=5 кГц; мощность в нагрузке P_вых=2 Вт; мощность в нагрузке R_н=8 Ом; коэффициенты частотных искажений M_и=М_в=1,18; коэффициент гармоник K_г≤10% ; температура окружающей среды t°_окр=50°;

     Рис.

Этим  условиям удовлетворяет громкоговоритель 0,15ГД-1