Обоснование выбора схемы релаксационного генератора

Перечень элементов схемы ждущего мультивибратора ...19Задание Разработать и рассчитать релаксационный генератор на ИОУ (интегральной схеме операционного усилителя) в соответствии с данными представленными в табл. 1 и 2. Проанализировать нестабильность длительности генерируемых импульсов релаксационного генератора в зависимости от разброса параметров навесных элементов. Исходные данные из табл. 1 и 2 (шифр варианта 78):Вид генератора: мультивибраторРежим работы: ждущийЧастота запускающих импульсов: f3 = 7 кГц Длительность выходного импульса: tи = 50 мкс Длительность фронта выходного импульса: tф ≤ 3 мкс Введение Генераторы сигналов являются неотъемлемым элементом значительной части радиотехнических систем и устройств. Это могут быть синусоидальные генераторы несущей частоты передатчиков или гетеродинов приемников, импульсные тактовые генераторы цифровых устройств, генераторы частот повторения различного рода периодических процессов в радиолокационных или телеметрических системах, наконец, генераторы сигналов специальной формы для различного рода измерительных и индикаторных устройств. Особое место среди них занимают импульсные генераторы, которые находят свое применение в схемах АЦП и цифровых схемах измерительных и управляющих устройств. Для импульсных генераторов основными техническими требованиями являются точность и стабильность заданного периода повторения и длительности импульсов. Использование операционных усилителей (ОУ) в схемах таких генераторов позволяет построить стабильные генераторы с весьма точным воспроизведением заданной формы выходного сигнала. Релаксационные генераторы – это импульсные генераторы, у которых усилитель работает в переключательном (релейном) режиме. К ним относят автоколебательный и ждущий мультивибраторы. Основой релаксационных генераторов на ОУ является обычно регенеративный компаратор, называемый также триггером Шмитта. Регенеративный компаратор может быть выполнен на ОУ с резистивной положительной обратной связью. Релаксационные генераторы обычно используются для получения низкочастотных сигналов для таких применений, как мигающие огни и электронные звуковые сигналы, и тактовые сигналы в некоторых цифровых схемах, таких, как таймеры и схемы задержки. Релаксационные генераторы находят широкое применение в системах железнодорожной автоматики и телемеханике для управления системами сигнализации и блокировки железнодорожного транспорта и путей сообщения. Обоснование выбора схемы релаксационного генератора Согласно заданию, необходимо разработать и рассчитать ждущий мультивибратор на ОУ. Ждущий мультивибратор на ОУ – это релаксационный генератор, который по запускающему импульсу вырабатывает одиночный выходной импульс, длительность которого больше длительности запускающего импульса. Для нормальной работы генератора необходимо выполнение условия:tв≤T-tи,где T- период следования запускающих импульсов,tи- длительность вырабатываемого импульса,tв- время восстановления исходного состояния генератора. Время восстановления исходного состояния генератора в ждущих мультивибраторах равно длительности переходного процесса заряда конденсатора времязадающей цепи в ветви ПОС ОУ схемы генератора, при этом для погрешности < 0,5%tв=5τ,где τ- постоянная времени заряда конденсатора в ветви ПОС ОУ схемы генератора. Для схемы ждущего мультивибратора с включением времязадающей цепи между выходом ОУ и его инвертирующим входом время восстановления tв≤τ∙ln1,67≅0,51τ. Эта же постоянная времени τ задает и длительность вырабатываемого генератором импульса. При использовании в схемах ждущих мультивибраторов разного типа (с различным включением времязадающей цепи (ВЗЦ)) современных ОУ, у которых параметры допустимых входных напряжений uдф макс= uдф макс≅10 В при напряжении питания ОУ ± E= ±15В, выполняется соотношение [1]: tи=τln2÷ln3≤ 1,1τ,где большее значение относится к схеме ждущего мультивибратора с включением времязадающей цепи между выходом ОУ и его инвертирующим входом, а меньшее – при включении времязадающей цепи между выходом ОУ и его неинвертирующим входом. Следовательно, для нормальной работы генератора необходимо выполнение условия:tи+ tв≅ tи+5tи=6tи≤T. По заданию, tи=50 мкс, а T=1f3= 17 кГц=143 мкс. Очевидно, что условие нормальной работы 6tи=6∙50 мкс=300 мкс≤T=143 мксне выполняется. Для схемы ждущего мультивибратора с включением времязадающей цепи между выходом ОУ и его инвертирующим входом достаточно выполнение условия:tи+ tв≅ 1,1tи+0,52tи=1,62tи≤T. По заданию, tи=50 мкс, а T=1f3= 17 кГц=143 мкс. Очевидно, что условие нормальной работы 1,62tи=1,62∙50 мкс=81 мкс≤T=143 мксвыполняется с хорошим запасом. Выбираем схему ждущего мультивибратора с включением времязадающей цепи между выходом ОУ и его инвертирующим входом (Рис.1). Рассмотрим принцип его работы [1, 2]. Операционный усилитель в схеме ждущего мультивибратора выполняет функцию компаратора напряжений на его входе. Автоколебания в ждущем мультивибраторе не возникают, так как диод VD1 не дает конденсатору С1 зарядиться до отрицательного напряжения переключения компаратора.Рис.1 Схема ждущего мультивибратора на операционном усилителе Схема оказывается в устойчивом состоянии, когда на выходе отрицательное напряжение, на конденсаторе С1 напряжение открытого диода VD1 (около 0,5 В ниже нуля). Далее будем для простоты считать падение напряжения на открытом диоде VD1 равным Uд=0. Запуск схемы осуществляется положительным импульсом Uзап, который изменяет состояние компаратора (выходное напряжение из отрицательного значения максимального напряжения выхода ОУ –Uвыхm переключается к положительному значению максимального напряжения выхода ОУ +Uвыхm (величина Uвыхm близка к величине Е напряжения питания ОУ, но обычно меньше его на 1-2 В, и дается в справочной литературе). Конденсатор С1 начинает перезаряжаться положительным напряжением выхода компаратора до напряжения переключения +Uпор (Рис.2). После переключения компаратора в сторону отрицательного напряжения -Uвыхm конденсатор С1 заряжается до нуля, и происходит восстановление исходного состояния схемы. Длительность формируемого импульса определим, рассмотрев переходный процесс заряда конденсатора С1 положительным напряжением +Uнас выхода компаратора:UC1t=tи=+Uвыхm∙1-e-tиR3C1=+Uпор=+γUвыхm,откуда длительность импульса на выходе схемыtи=τ∙ln11-γ,⁡ где τ=R3C1- постоянная времени заряда конденсатора, γ=UпорUвыхm=R2R1+R2- коэффициент обратной связи. Коэффициент γ выбирается из соотношений, что Uвх≤Uдф, в то же время Uвх≤γE. Поэтому γ≤UдфE. Для большинства ОУ Uдф=±10 В, а E= ±15В. Поэтому следует считать, что γ≤23. Рекомендуется принимать γ=0,2÷0,5. После формирования импульса требуется время на восстановления исходного состояния схемы. Время восстановления tв найдем, рассмотрев процесс перезаряда конденсатора С1:UC1t=tв=Uпор-(-Uвыхm)∙1-e-tвR3C1-Uпор=Uд≈0,откуда время восстановленияtв=τ∙ln1+γ. Для нормальной работы генератора необходимо выполнение условия:tв≤T-tи,откуда T≥ τ∙ln1+γ1-γ. На Рис.2 представлены временные диаграммы работы ждущего мультивибратора. Для генерирования импульсов отрицательной полярности в схеме генератора рис.1 достаточно изменить полярность включения диода VD1 на обратную и запускать генератор импульсами отрицательной полярности.Рис.2 Временные диаграммы работы ждущего мультивибратораРасчетная частьИсходные данные (вариант № 78): длительность выходного импульса tи = 50 мкс; частота запускающих импульсов: f3 = 7 кГц длительность фронта выходного импульса: tф ≤ 3 мкс Принимаем напряжение источника питания Е = ±15 В.1. Выбираем операционный усилитель из условия: Vвых >> E/tи = 15 В/50 мкс = 0,3 В/мкси Vвых > 2E/tф = 2∙15 В/3 мкс = 10 В/мкс. Этому условию удовлетворяет операционный усилитель К140УД11, имеющие следующие электрические параметры [3]:напряжение питания Е = ±15 В;ток потребления Iп = 10 мА;максимальное входное синфазное напряжение Uсинф= ±11 В;максимальное входное дифференциальное напряжение Uдифф= ±10 В;входное сопротивление Rвх = 1000 МОм;максимальное выходное напряжение Uвых m = ±12 В;номинальное сопротивление нагрузки Rн = 2 кОм;скорость нарастания напряжения на выходе ОУ Vвых = 30 В/мкс;собственный коэффициент усиления на постоянном токе К0= 25∙103.2. Выбираем величину коэффициента γ из условия γ ≤ Uдифф /E = 10 В/15 В = 0,67. Выбираем величину коэффициента γ=0,5.3. Выбираем значения сопротивлений цепи положительной обратной связи: R2=10 кОм (ГОСТ, Е24) R1=R2∙1γ-1=10∙10,5-1=10 кОм ГОСТ, Е24. 4. Выбираем значение сопротивления R3 из условия R1+R2∥R32>Rн=2 кОм.или 2R3+ 1R1+R2<1Rн=0,5 кОм-1,откуда R3>4,44 кОм. Выбираем значение сопротивления R3 по параметрическому ряду Е24 номиналов сопротивлений (допуск ±5%): R3=12 кОм ГОСТ, Е24.5. Рассчитаем рассеиваемую мощность на сопротивлениях R1–R3 схемы:PR1≤γUвыхm2R1=0,5∙12210∙103=0,0036 Вт;PR2≤1-γUвыхm2R2=1-0,5∙12210∙103=0,00236 Вт;PR3≤1+γUвыхm2R3=1+0,5∙12212∙103=0,027 Вт. Для резисторов R1–R3 выбираем типономиналы с мощностью рассеивания 125 мВт [6]: R1: ОМЛТ – 0,125 – 10 кОм ±5%; R2: ОМЛТ – 0,125 – 10 кОм ±5%; R3: ОМЛТ – 0,125 – 12 кОм ±5%.6. Для длительности импульса на выходе схемыtи=τ∙ln11-γ=R3C1∙ln11-γ=50 мкс ,⁡ находим значение ёмкости конденсатора C1 : C1=tиR3 ∙ln( 11-γ)=50ˑ10-612ˑ103 ∙ln( 11-0,5)=6,01∙10-9 Ф=6010 пФ. Выбираем ближайшее значение емкости по параметрическому ряду Е24 номиналов емкостей (допуск ±5%): C1=6200 пФ. Определяем тип конденсатора С1 [4]: К10-17-1–50В–6200пФ±5% – низковольтный конденсатор с неорганическим диэлектриком, отличающийся большой реактивной мощностью, низкими потерями, высоким сопротивлением изоляции и стабильным ТКЕ.7. Для выбранных номиналов схемы длительность импульса на выходе схемыtи=τ∙ln11-γ=R3C1∙ln11-γ= =12ˑ103∙6200∙10-12 ∙ln 11-0,5=51,6∙10-6 с=51,6мкс.8. Определяем время восстановленияtв=τ∙ln1+γ=R3C1∙ ln1+γ==12∙103∙6200∙10-12∙ln 1+0,5=30,2∙10-6 с=30,2 мкс. Условие нормальной работы генератораtв=30,2 мкс≤T-tи=143-51,6=91,4 мксвыполняется с большим запасом. 9. Оценим длительность фронта выходного импульса, обусловленное максимальной скоростью нарастания выходного напряженияtф=2Uвых максVвых= 2∙1230мкс= 0,8 мкс ≤3 мкс. Тип ОУ К140УД11 выбран правильно.10. В качестве диода VD1 схемы используем импульсный германиевый диод Д311, имеющий электрические параметры [5]: прямое напряжение Uпр = 0,55 В; максимально допустимый прямой ток Iпр = 400 мА; обратный ток насыщения I0 = 1 мкА; максимально допустимое обратное напряжение Uобр = 40 В.11. В качестве конденсатора C2 схемы используем конденсатор емкостьюC2≅0,1tиR1∥R2=0,1∙50∙10-65∙103 =1∙10-9 Ф=1000 пФ (ГОСТ, Е24). Определяем тип конденсатора С2 [4]: ПМ-2–63В–1000 пФ±5% - низковольтный высокочастотный конденсатор.12. Для цепей частотной коррекции ОУ К140УД11 используем конденсатор емкостью 0,01 мкФ и резистор сопротивлением 3 кОм [3]: тип конденсатора [4]: КД-2-250В-0,01мкФ 10% - дисковый керамический конденсатор, предназначен для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного токов; тип резистора [6]: ОМЛТ – 0,125 – 3,0 кОм ±5%.13. Для цепей смещения нулевого уровня ОУ К140УД11 используем переменный резистор сопротивлением 200 кОм и постоянный резистор сопротивлением 200 кОм [3]: тип переменного резистора [6]: СП3-38-0,125-200 кОм±20%; тип постоянного резистора [6]: ОМЛТ – 0,125 – 200 кОм ±5%.14. Определим нестабильность длительности выходного импульса разработанного релаксационного генератора в зависимости от разброса навесных элементов R1-R3, C1, основываясь на предложении идеальности свойств ОУ и отношений величин его входного и выходного сопротивлений Rвх, Rвых. Значение выходного сопротивления ОУ Rвых можно определить из соотношения:Rвых = Rн/10 = 2кОм/10 = 200 Ом,где Rн – номинальное значение нагрузки ОУ. Тогда, выполняются соотношения:Rвх=1000 МОм ≫R3=4,7 кОм≫ Rвых=200 Ом;Rвх=1000 МОм ≫R2=10 кОм≫ Rвых=200 Ом. Таким образом, применяемый ОУ позволяет избежать влияние Rвх и Rвых на длительность импульса tи. Анализ выполним, пользуясь общей формулой tи=R3C1∙ln11-γ,где γ=R2R1+R2. Тогда, используя11-γ= 11-R2R1+R2= R1+R2R1=1+R2R1,получимtи=R3C1∙ln1+R2R1.Используя эту формулу, можно определить, чтоdtиtи=dR3R3+dC1C1+ dln1+R2R1ln1+R2R1= =dR3R3+dC1C1+ R2R1dR1R11+R2R1+dR2R11+R2R1ln1+R2R1==dR3R3+dC1C1+ R2R1dR1R1+dR2R21+R2R1ln1+R2R1==5%+5%+ 1∙5%+5%1+1∙ln1+1=17,2 %.Или, переходя к конечным приращениямdtи=0,172∙tи=0,172∙51,6=8,9 мкс.Заключение В ходе выполнения данной работы мы познакомились с функциональным устройством и принципом работы ждущего мультивибратора на операционном усилителе, рассчитали его основные параметры, основываясь на параметрах выбранного операционного усилителя К140УД11, и научились строить схемы ждущих мультивибраторов на базе операционных усилителей. Приведенная выше принципиальная схема (рис.1) теоретически полностью подходит по заданным условиям и соответствует параметрам ждущего мультивибратора, а при соответствующем выборе операционного усилителя и навесных элементов обеспечивает высокую точность генерируемых импульсов и их стабильность. Расчетное значение длительности импульса на выходе схемы составило tи=(51,6±8,9) мкс при выбранных номиналах навесных элементов схемы (см. Перечень элементов схемы ждущего мультивибратора).Список используемой литературы1. Задание и методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Электроника» для студентов заочной формы обучения специальности «АТС на ж.-д. транспорте» [Текст] – Самара, СамГАПС, 2005. – 36с. : ил. 2. Опадчий, Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров; Под .ред. О. П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002.3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский и др. Под редакцией С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990. 4. Конденсаторы. Справочник /И.В.Михайлов и др.; 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Энергия, 1973.5. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/А.В.Баюков и др.; Под общ.ред. Н.Н.Горюнова. – М.: Энергоиздат, 1982.6. Резисторы Справочник/ В. В. Дубровский и др.; Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. – М., Радио и связь, 1987. -352с.; ил.Перечень элементов схемы ждущего мультивибратора ОбозначениеНаименованиеКол- воПримечаниеМикросхемы DA1К140УД111ОУДиодыVD1Д3111импульсныйдиодКонденсаторыС1ПМ-2-63В-1000 пФ 5%1С2К10-17-1-50В-6200 пФ 5%1группаТКЕ М75С3КД-2-250В-0,01мкФ 10%1РезисторыR1, R4ОМЛТ-0,125-10 кОм 5%2R2ОМЛТ-0,125-12 кОм 5%1R3ОМЛТ-0,125-3,0 кОм 5%1R5СП3-38-0,125-200 кОм±20%1переменныйR6ОМЛТ-0,125-200 кОм 5%1