Генераторы гармонических колебаний
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ГОСУДАРСТВЕНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ЯМАЛЬСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
Кафедра ЕНОТД
Курсовая работа
Дисциплина: “Электроника”
Тема:“Проектирование элементов генераторов LC-типа”
Выполнил:
студент 3 курса специальности “Автоматизация технологических процессов и производств” группа АТП-09-1
Томченко А.В.
Проверил:
доцент, к.т.н. Латышев В.А.
Новый Уренгой – 2011
Содержание
Введение. 3
1. Аналитическая часть. Проектирование элементов генераторов LC-типа 5
1.1. Генераторы. Определение и назначение. 5
1.2. Классификация генераторов. 8
1.3. Структура генераторов. 15
1.4. Схемы генераторов LC-типа. 19
2. Практическая часть. Разработка шифратора. 20
2.1. Шифраторы.. 20
2.2. Дешифраторы.. 24
2.2.1. Карты Карно. 29
2.3. Семисегментный индикатор. 31
2.4 Конечный автомат. 34
2.4.1. Разработка шкалы «прибора для измерения емкости». 37
Заключение. 39
Список использованных источников. 40
Введение
Электроника – раздел науки и техники, изучающий:
1) физические явления в приборах, действие которых основано на перемещении или изменении концентрации заряженных частицу в вакууме, газе и твердом теле;
2) электрические свойства и параметры этих приборов;
3) схемы, использующие эти приборы.
|
|
|
Электроника — прикладная наука, специализирующаяся на методах преобразования электрических сигналов, использования электричества в обработке информации и управлении устройствами. [1]
Электроникой также называется конечный продукт электроники — электронные приборы (преимущественно в обобщающем смысле).
Физические явления относятся к области физической электроники, а приборы и схемы к области технической электроники или электротехники.
В зависимости от среды, в которой находятся заряженные частицы, различают вакуумные, газоразрядные (ионные) и полупроводниковые приборы. [2] В вакуумных приборах электрический ток формируется потоком электронов в вакууме. Примером таких приборов являются электронные лампы, электронно-лучевые трубки, фотоэлектронные преобразователи. В газоразрядных приборах ток образуется ионами газа. Примером газоразрядного электронного прибора Могут служить газоразрядные цифровые и знаковые индикаторы. Полупроводниковые приборы используют специфические свойства, возникающие при сочетании нескольких полупроводниковых сред.
В зависимости от области применения всю электронную технику принято делить на два крупных раздела: Информационную и энергетическую (силовую). Информационная электроника занимается преобразованием слаботочных информационных сигналов, а энергетическая – сильноточных энергетических сигналов.
|
|
|
В зависимости от характера преобразуемых сигналов, информационная электроника в свою очередь делится на аналоговую и цифровую. [4]
Главные достоинства электронных приборов: высокая чувствительность, большое быстродействие, Малое энергопотребление, хорошая надежность. Электронные приборы и преобразователи используются практически во всех прикладных направлениях электротехника, связь, энергоснабжение, автоматизированный электропривод, вычислительная техника и т.д.
В последнее время электронная техника разлипается в направлении повышения уровня интеграции электронных приборов и их миниатюризации. Современные большие интегральные схемы содержат в своем составе несколько тысяч отдельных транзисторов. При этом размер простых функциональных элементов микросхем сравним с размером крупной молекулы. Наиболее интегрированными элементами электронной техники являются микропроцессоры, объединяющие в одном корпусе структуру, эквивалентную микропроцессорам.
Аналитическая часть. Проектирование элементов генераторов LC-типа
|
|
|
Генераторы. Определение и назначение
Генератор Электромагнитных Колебаний - устройство для получения электро-магнитных (эл-магн.) колебаний требуемого вида (определение частот, амплитуд и фаз для гармонических колебаний, формы во времени для импульсных колебаний и т. д.). В генератор электромагнитных колебаний осуществляется преобразование электрической энергии источников пост. напряжения и тока либо энергии первичных эл-магн. колебаний или др. форм энергии в энергию генерируемых эл-магн. колебаний. [9]
Термин генератор электромагнитных колебаний чаще всего применяют к автогенераторам (генераторам с независимым возбуждением), где возбуждаются автоколебания, частота, форма и др. характеристики которых определяются свойствами самого генератора. Генератор электромагнитных колебаний с посторонним возбуждением представляют собой усилители мощности эл-магн. колебаний, создаваемых задающим автогенератором.
Электронными генераторами называются устройства, преобразующие электрическую энергию источника постоянного тока (источника питания) в энергию электрических колебаний заданных формы и частоты. Форма электрических колебаний может быть различной. Генераторы, формирующие синусоидальные колебания, называются генераторами синусоидальных, или гармонических колебаний. Если форма колебаний отличается от синусоидальной (прямоугольные, треугольные, пилообразные и т.д.), то такие генераторы называются импульсными, или релаксационными. [5]
|
|
|
По принципу управления генераторы разделяются на две группы – генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним (независимым) возбуждением. Последние, по существу, являются усилителями мощности высокой частоты, работающими на резонансную нагрузку и здесь рассматриваться не будут.
Схема автогенератора обычно содержат усилитель, охваченный обратной связью. Для построения автогенератора синусоидальных колебаний элементы схем либо усилителя, либо ОС должны обладать явно выраженными частотными свойствами. Наиболее часто используются два типа усилительных схем – с резонансными (колебательными) контурами и с резистивно-емкостными цепями. Автогенераторы, выполненные на основе схемы резонансного усилителя, часто называют автогенераторами типа LC, а автогенераторы, построенные на основе схемы усилителя на RC цепях,– автогенераторами типа RC или RC генераторы. Генерирование колебаний с частотами меньше 15 – 20 кГц на резонансных LC контурах затруднено и неудобно из-за их громоздкости. В низкочастотном диапазоне широко используются генераторы типа RC. Они могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Конечно, наиболее полно преимущества генераторов типа LC проявляются в области высоких частот.
Проектируемое устройство – генератор синусоидальных колебаний со встроенным усилителем мощности - предназначен для использования в радиотехнике и измерительной технике. Благодаря возможности изменения частоты генератор служит для регулирования, испытания и ремонта различых радиотехнических устройств в лабораторных и производственных условиях (телевидение, радиовещание, акустика, техника связи и т.д.). [1]
Бурное развитие цифровой электронной техники позволяет во все большем числе случаев формирования аналоговых сигналов использовать цифровые методы. Так как цифровые генераторы аналоговых сигналов обладают рядом достоинств:
- универсальность, поскольку они позволяют генерировать аналоговый
сигнал с произвольной, заданной пользователем, формой;
- отсутствие ограничения по минимальной частоте;
- высокая стабильность параметров выходного сигнала
и другие.
Цифровые генераторы обладают универсальностью, точностью и удобством настройки. Поэтому они получают всё большее распространение как узлы электронной аппаратуры, тат и как самостоятельные устройства применяемые при измерениях и налаживании систем, работающих со сложными сигналами.
Аналоговые генераторы используются в тех случаях, когда нет высоких требований к параметрам генератора, или важна простота и минимальная стоимость узла.
Электронный генератор представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности.
По принципу работы и схемному построению различают генераторы с самовозбуждение (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением ,которые по существу являются усилителями мощности генерируемых колебаний заданной частоты .
Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы колебаний несинусоидальной формы, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами.
Являясь первоисточником электрических колебаний, генераторы с самовозбуждением широко используются в радиопередающих и радиоприемных (супергетеродинных) устройствах, в измерительной аппаратуре, в ЭВМ, в устройствах телеметрии и т. д.
По диапазону генерируемых частот генераторы делятся на низкочастотные (от 0,01 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц ) и сверхвысокочастотные (от 100 МГц и выше ).
Широкое внедрение сложных радиоэлектронных устройств в различные отрасли народного хозяйства ставит перед разработчиками радиоаппаратуры две важнейшие задачи: повышение ее надежности и уменьшение массы и габаритов. Надежность аппаратуры в настоящее время повышается за счет применения соответствующей элементной базы и специальных методов построения систем, а основным направлением миниатюризации избирательных и автоколебательных низкочастотных систем, ввиду отсутствия реальных путей миниатюризации катушек индуктивности, является внедрение активных избирательных RL-цепей (активных RL-фильтров и RL-генераторов).
Широкому распространению транзисторных RL-генераторов синусоидальных колебаний способствует простота изготовления, существующие высокостабильные конденсаторы и сопротивления, стабильные операционные и интегральные усилители, а также технологическая перспективность, если учесть прогресс технологии микромодулей и цепей на основе твердого тела.
L-C генераторы обычно используются для формирования радиочастотных сигналов, т.к весогабаритные характеристики элементов колебательных контуров в звуковом диапазоне частот становятся неприемлемыми.
Классификация генераторов
Генераторы электрических колебаний подразделяются по следующим признакам: [2]
Ø По форме выходного сигнала:
o Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.)
o Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы
o Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов
o Генератор шума
Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица
Ø По частотному диапазону:
o Низкочастотные
o Высокочастотные
Ø По принципу работы:
o Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса
o Блокинг-генераторы
o LC-генераторы
o RC-генераторы
o Генераторы на туннельных диодах
Ø По назначению:
o Генератор тактовых импульсов
Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы. Мощные преобразователи называются силовыми инверторами и относятся к силовой электронике.
Генераторы гармонических колебаний
Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС. [7]
Рис.1.1 Блок схема генератора
Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.
Рис.1.2 Типовой график зависимости амплитуды выходного сигнала генератора от частоты
Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.
Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:
1) петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°
2) петлевое усиление >1
3) рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.
Необходимость третьего условия.
Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор.
В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.
Генераторы гармонических колебаний представляют собой устройства из частотно-избирательной цепи и активного элемента. По типу частотно-избирательной цепи они делятся на LC- и RC-генераторы.
Генераторы LC-типа имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. В генераторах LC-типа форма выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено достаточно хорошими фильтрующими свойствами колебательного контура. К недостаткам LC-генераторов относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых катушек индуктивности, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Это особенно проявляется при создании низкочастотных автогенераторов, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются значительными.
Рис.1.3 LC-генераторы с индуктивной(а) и емкостной(б) обратной связью
Базовые схемы LC-генераторов показаны на рис.1.3. Схему на рис.1.3., a называют индуктивной трехточкой или схемой Хартлея, на рис.1.3.,б — емкостной трехточкой или схемой Колпитца. Для обеих схем с помощью резисторов Rl, R2 и Re устанавливается необходимый режим по постоянному току. Конденсаторы СЬ и Се — блокировочные, конденсатор С называют конденсатором связи. Частота автоколебаний для обеих схем в первом приближении определяется известной формулой.
Перейдем к рассмотрению RC-генераторов. Генераторы такого типа достаточно просты в реализации, дешевы, имеют малые габариты и массу. Однако стабильность частоты колебаний в них значительно ниже, чем в LC-генераторах. Форма колебаний несколько отличается от синусоидальной и существенно изменяется в зависимости от значений параметров активного элемента и цепи обратной связи. Эти недостатки не позволяют применять их в схемах, где необходимо получать высокую точность и стабильность частоты колебаний, а также удовлетворительную форму выходного напряжения. В устройствах, где к этим параметрам не предъявляются жесткие требования, низкочастотные RC-генераторы используются достаточно широко.
В RC-генераторах обратная связь осуществляется за счет RC-цепей, обладающих избирательными свойствами и обеспечивающих на одной определенной частоте выполнение условий возбуждения колебаний. В этих генераторах выходное напряжение практически повторяет форму коллекторного тока транзистора. Поэтому они не могут работать с отсечкой тока и имеют сравнительно низкий КПД.
Избирательным LС-цепям присуща невысокая добротность. Поэтому для получения синусоидальных колебаний с малым уровнем гармоник приходится вводить неглубокую обратную связь. При этом активный элемент должен иметь небольшую нелинейность, чтобы в момент возникновения автоколебаний коэффициент усиления оставался больше единицы и тем самым при любых изменениях параметров схемы обеспечивались условия самовозбуждения.
RC-автогенераторы выполняют на основе однокаскадных и многокаскадных усилителей. В однокаскадных автогенераторах выход усилителя соединяется со входом через LC-цепи, обеспечивающие фазовый сдвиг 180° на рабочей частоте. Такие генераторы обычно выполняют на фиксированную частоту, их иногда называют цепочечными LC-генераторами.
В автогенераторах, выполненных на основе многокаскадных усилителей, применяют как усилители переменного тока, так и усилители постоянного тока на ОУ.
При использовании усилителей переменного тока число каскадов выбирают четным (обычно используют двухкаскадные усилители). Такой усилитель вносит близкий к нулю фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, поэтому цепь обратной связи, соединяющая выход со входом, должна обеспечивать на частоте автоколебаний нулевой фазовый сдвиг. Обычно в таких генераторах в качестве цепей обратной связи используют частото-избирательные мостовые схемы, допускающие перестройку частоты в достаточно широких пределах.
Цепочечные автогенераторы должны иметь цепь обратной связи, обеспечивающую фазовый сдвиг 180° на частоте автоколебаний. Для получения такого сдвига требуется не менее трех RC-цепей. Действительно, каждое RC-звено в самых идеальных условиях обеспечивает фазовый сдвиг на угол, меньший 90°; следовательно, два звена дают фазовый сдвиг, меньший 180°. На рис.1.3., а приведена схема цепочечного генератора, выполненного на четырехзвенной RC-цепи и транзисторном каскаде ОЭ. Частота колебаний генератора на рис.1.3., а определяется по формуле:
(1.1)
Обратимся теперь к результатам моделирования, представленным на рис.1.3.,б, откуда видно, что период колебаний выходного сигнала составляет 315 мс, что существенно отличается от расчетного значения (T=l/f„=461,5 мс). В связи с этим уместно заметить, что аналитические выражения для частоты колебаний RC-генераторов имеют весьма ориентировочный характер. Приведем два примера. Для расчета частоты колебаний используем две разные формулы для RC-генератора с трехзвенной фазосдвигающей цепью, с помощью которых для схемы на рис.1.3., а получим:
(1.2)
(1.3)
Из приведенных результатов видно, что для рассматриваемой схемы более подходит результат, полученный с помощью формулы (1.2). Проведем дополнительные испытания модели с трехзвенной цепочкой на рис.1.3.,а. Из приведенных на рис.1.3.,б результатов испытаний видно, что период колебаний LC-генератора с трехзвенной цепочкой (515 мс) является чуть ли не средним арифметическим между результатами, полученными по формулам (1.1) и (1.3). Таким образом, и в этом случае имеются существенные расхождения результатов моделирования и расчета, причем более существенными являются расхождения между расчетными значениями с использованием различных расчетных соотношений для одной и той же схемы. Это позволяет сделать вывод, что аналитические выражения для RC-генераторов имеют очень приближенный (действительно, ориентировочный) характер.
Для схемы Колпитца 
(1.4)
Для всех автогенераторов условиями возникновения автоколебаний является наличие положительной обратной связи при коэффициенте усиления равном или большим 1. Для схемы Хартлея эти условия обеспечиваются за счет транзисторного каскада, выбора коэффициента трансформации и соответствующего включения обмотки связи. Положительная обратная связь в генераторе Колпитца обеспечивается за счет того, что сигнал обратной связи поступает с такого зажима колебательного контура, при котором сигнал обратной связи на базе транзистора совпадает по фазе с переменным сигналом на коллекторе. Коэффициент передачи цепи обратной связи при этом определяется коэффициентом передачи емкостного делителя, образованного конденсаторами С1 и С2. При выполнении указанных условий устройство самовозбуждается. Процесс самовозбуждения происходит следующим образом. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного в коллекторную цепь, заряжается. В контуре возникают затухающие колебания, которые одновременно передаются на управляющие электроды транзистора по цепи положительной обратной связи. Это приводит к пополнению энергией LC-контура и колебания превращаются в незатухающие.
Структура генераторов
Необходимые элементы генератора электромагнитных колебаний: источник энергии, пассивные цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебания, активный элемент, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний, цепь обратной связи, управляющая активным элементом и создающая условия для возникновения автоколебаний. В зависимости от требуемых характеристик генераторов электромагнитных колебаний в них используют разнообразные элементы. Для генераторов электромагнитных колебаний низких и радиочастот это колебательные контуры, фильтры и др. цепи с сосредоточенными параметрами (ёмкостью С, индуктивностью L, сопротивлением R), а в качестве активных элементов - электронные лампы, транзисторы, туннельные диоды и усилители в целом (напр., операционный усилитель). В генераторах электромагнитных колебаний СВЧ применяют гл. обр. цепи с распределёнными параметрами, включающие объёмные резонаторы, замедляющие системы, полосковые и коаксиальные линии, волноводы, а также открытые резонаторы. Активные элементы СВЧ чаще всего совмещены с пассивными цепями и представляют собой элетронно-вакуумные (СВЧ-триод, магнетрон, клистрон, лампа обратной волны и др.) или твердотельные (СВЧ-транзистор, диод Ганна, лавинно-пролётный диод, туннельный диод) приборы; иногда активным элементом считают электронный поток в приборе. В оптических квантовых генераторах (лазерах) применяют различные виды открытых резонаторов и активную среду, преобразующую энергию источника питания (энергию "накачки") в энергию эл-магн. колебаний.
Рис.1.4. Структура генератора
Генератор синусоидального напряжения состоит из задающего генератора и усилителя мощности.
Рис.1.5 Функциональная схема генератора синусоидального напряжения (ГСН)
1) коммутируемая частотозадающая цепь (К.Ч.З.Ц.);
2) усилитель (У.);
3) цепь положительной обратной связи (П.О.С.);
4) стабилизатор амплитуды (С.А.);
5) регулятор уровня выходного напряжения (Р.У.);
6) предварительный усилитель (П.У.);
7) усилитель мощности (У.М.);
8) цепь отрицательной обратной связи (О.О.С.);
9) источник питания (И.П.).
От задающего генератора подается напряжение синусоидальной формы, стабильной амплитуды и частоты на вход усилителя. Обычно во время работы ГСН амплитуда выходного напряжения задающего генератора не меняется и для установки нужной величины напряжения на нагрузке в схему включен регулятор амплитуды. Перестройка частоты задающего генератора производится в пределах какого-либо диапазона плавно, а смена диапазонов производится дискретно.
По стабильности частоты и ширине частотного диапазона генерируемого сигнала на практике наиболее подходящим является генератор с мостом Вина.
| C |
| 10C |
| 100C |
| 1000C |
| 0.1R |
| 0.9R |
| R2 |
| R3 |
| C1 |
| R* |
| R4 |
Рис.1.6 Функциональная схема эл.генератора с мостом Вина
Получили 4 декады с учетом коэффициента запаса:
1) 20Гц-200Гц
2) 200Гц-2кГЦ
3) 2кГц-20кГц
4) 20кГц-200кГц
С учетом коэффициента запаса:
1) 18Гц-220Гц
2) 180Гц-2200Гц
3) 1800Гц-22кГц
4) 18кГц-220кГц
При использовании моста Вина в качестве частотно-задающей цепи генератора для выполнения условий самовозбуждения необходимо:
· 1 чтобы мост Вина включался в цепь положительной обратной связи.
· 2 чтобы коэффициент передачи усилителя на частоте резонанса моста Вина был не меньше 3
Для управления частотой выходного напряжения в качестве резисторов могут использоваться сдвоенные потенциометры. Учитывая, что динамический диапазон регулировки редко превышает 20 дБ для его расширения помимо переменных резисторов могут использоваться наборы конденсаторов с декадно-переключаемым номиналом, т.о может быть осуществлено широкополосное регулирование.
Резонансная частота моста Вина 
Схемы генераторов LC-типа
Генераторы LC-типа основаны на использовании избирательных LC-усилителей.
| Рис.1.7. Схема генератора LC-типа |
Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура: 
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1830; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!