Реферат: Мостовой RC-генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина

МинистерствоВысшего образования Украины

ОдесскийГосударственный Политехнический Университет

Кафедраинформационно-измерительной техники

Утверждаю

Зав. Каф. Р.Г. Джагупов

<img src="/cache/referats/2484/image001.gif" " v:shapes="_x0000_s1027"><img src="/cache/referats/2484/image002.gif" " v:shapes="_x0000_s1026">" " 1998

Мостовой RC-генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА

ИТКР7.0913.05

Курсоваяработа по дисциплине «Электронные устройства для первичных преобразователей»

Выполнилстудент 4 курса

группыАИ-941

Дёгтев А.Ю.

Датавыполнения:

Руководитель:Азаркин В.А.

Оценка:

Одесса 1998

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение................................................... 4

2.Аннотация ................................................. 5

3. Выбор,обоснование и описание работы схемы электрической

принципиальнойгенератора с мостом Вина....................... 6

4. Описаниесхемы операционного усилителя и его параметры.... . 9

5. Выборэлементной базы .................................... 19

6. Расчет погрешности прибора................................. 20

6.1Расчет неинвертирующего ОУ и анализ его

погрешностей .......................................... 20

7.Графическое приложение ................................. 23

ПРИЛОЖЕНИЕ1 — Спецификация............................. 23

ПРИЛОЖЕНИЕ2 — Схема электрическая принципиальная мостового генератора синусоидальныхколебаний с мостом Вина.

8.Заключение............................................... 24

9. Списокиспользованной литературы.......................... 25

В В Е Д Е НИ Е

Этигенераторы отличаются от релаксационных тем, что в их состав входят электрическиецепи или компоненты, обладающие резонансными свойствами. Благодаря им условиевозникновения автоколебаний (ку³

1, <img src="/cache/referats/2484/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1025">D¦при всех колебанияусилителя и цепи ООС.

Вдиапазонах низких, звуковых и радиочастот в качестве резонансных цепей и компонентовприменяют RC-цепи, LC-контуры,кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы (например,камертоны и др.)

ИзбирательныеRC-цепи имеют сравнительнопологие фазо- и амплитудно-частотные характеристики петлевого усиления.Поэтому, если коэффициент усилениябольше единицы, даже на небольшую величину, условия возникновения автоколебанийвыполняются в сравнительно широкой полосе частот D

¦. При этом форма выходногосигнала существенно отличается от синусоидальной. Поэтому у автогенераторов срезонансными RC-цепями (RC-генераторов) приходится вводить дополнительные цепиавтоматического регулирования коэффициента усиления.

ВRC-генераторах выходное напряжениепрактически повторяет форму тока, создаваемого усилителем.

ДляRC-генераторов характерны:

1.

Простотареализации;

2.

Дешевизна;

3.

низкиемассо-габаритные показатели;

4.

Диапазончастот автоколебаний от долей герц до нескольких сотен килогерц.

Недостатки:

1.

Невысокаястабильность частоты;

2.

Существенныеискажения формы автоколебаний (Кг>10.5%)

Аннотация

Разрабатываемыйв данной курсовой работе прибор предназначен выполнять функцию генерациисинусоидальных колебаний. В генераторе обеспечена автоматическая регулировкауровня усиления колебаний. Применение высокоточного (прецизионного) усилителяобеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы схемы генератора.Большое внимание уделено описанию принципа работы схемы генератора синусоидальныхколебания с мостом Вина. Разработка подобных генераторов на современнойэлементной базе является весьма перспективным направлением в электронике.

Theinstrument, developed in the given course operation, is intended to execute thefunction of generation of sine wave oscillations. In the generator theautomatic adjustment of a level of amplification of oscillations is supplied.The application precision of the amplifier provides high accuracy and goodstability of operation of the circuit of the generator. The large attention isgiven to the description of a principle of operation of the circuit of thegenerator of a sine wave oscillation with the bridge Fault. The development ofsimilar generators on modern element base is a rather perspective direction inelectronics.

3. Выбор, обоснование и описание работы схемыэлектрической принципиальной генератора с мостом Вина.

Какизвестно, частота автоколебаний в таком генераторе определяется формулой <img src="/cache/referats/2484/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1026"><img src="/cache/referats/2484/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> ¦

0 <img src="/cache/referats/2484/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1028">[4]

Нужныйхарактер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигналауменьшается сопротивление R3или увеличивается сопротивление R4.Поэтому вкачестве R3используется полупроводниковый терморезистор. В качествеинерционно-нелинейного резистора применяют переход сток-исток полевоготранзистора, на затвор которого подают выпрямленное и сглаженное выходноенапряжение генератора.

Вустройстве реализована двухступенчатая цепь ООС. Первая ступень: резистор R3и полевойтранзистор, вторая ступень: резисторы R4, R5.

При<img src="/cache/referats/2484/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1029">в устройстве возникают автоколебания, частота которых определяетсяформулой <img src="/cache/referats/2484/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1030">R1=R2=R, C1=C2=C,а частоту автоколебаний: <img src="/cache/referats/2484/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">R3, R4, больше чем три, иначе говоря, должно быть выполнено условие <img src="/cache/referats/2484/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">

Установившиесяавтоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенстваединице единичного коэффициента петлевого усиления на частоте f0. Но, для возникновения автоколебанийнужно, чтобы в начале коэффициент петлевого усиления был более 1. Послевозникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется в конечном счете натаком уровне, при котором за счет нелинейного элемента в петле коэффициентуменьшается до 1. Если не предпринимать специальных мер, то упомянутая нелинейность проявится вамплитудной характеристике ОУ, в этом случае форма автоколебаний может заметноотличаться от синусоиды.

Нужныйхарактер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала падает сопротивление R3 или растет сопротивление R4.

Припостроении генераторов с частотно-зависимыми цепями, обеспечивающими на частотеавтоколебаний сдвиг фазы, равный p

, удобно использовать потенциально-токовые разновидностиизбирательных цепей. Такие цепи предназначены для использования совместно сусилителями, имеющими малые входное и выходное сопротивление. [2]

4. Описание схемы операционного усилителя и его параметры.

ОУ 140УД26[3]

К140УД26- широкополосный прецизионный операционный усилитель со сверхнизким значениемвходного напряжения шума, высоким коэффициентом усиления напряжения. Внутренняячастотная коррекция отсутствует.

Рис. 1 Принципиальная схема операционного усилителя 140УД26

Таблица 1

Электрические параметры

(при Uп=±

15 В, RН=2 кОм, Т=+35°С)

Параметры

Буквенное обозначение

Режим измерения

К140УД26В

Единицы измерения

Напряжение смещения

Uсм

Uп=±

15 В

±

мкВ

Входной ток

Iвх.

Uп=±

15 В

±

100

нА

Разность входных токов

D

Iвх.

Uп=±

15 В

нА

Ток потребления

Iпот.

Uп=±

15 В

5.7

мА

Коэффициент усиления напряжения

Ку.U.

Uп=±

15 В

7000

тыс.

Максимальное синфазное входное напряжение

Uвх.сф.макс.

T=+25°

±

110

Входное сопротивление для дифф. Сигналов

Rвх.

Uп=±

15 В

МОм

Выходное сопротивление при разомкнутой цепи ООС

Rвых.

Uп=±

15 В

Ом

Частота единичного усиления

¦

МГц

Амплитудно-частотнаяи фазочастотная характеристики представлены на рис.2.

Рис.2

Схемапостроена по двухкаскадной технологии. Первый каскад совмещает исполнение двухфункций. Во-первых, функцию дифференциального усилителя с симметричным входом ивыходом по усилению разностного входного сигнала. Для подавления синфазноговходного напряжения в эмиттерную цепь дифференциального каскада, построенногона составных биполярных транзисторах, включен БТ. Для сравнения привожу схемуэлектрическую принципиальную зарубежного аналога (ОР-37А) отечественногоусилителя К140УД26.

Малошумящий быстродействующий прецизионный операционный усилительОР-37А

Рис.3 Схема электрическая принципиальная операционного усилителя ОР-37А

Таблица 2

Электрические параметры (при Vs=15В, ТА=25°

С)

Электрические параметры

Параметры

Численное

значение

Единица измерения

Напряжение смещения (макс.)

мкВ

Разность входных токов (макс.)

нА

Входной ток (макс.)

±

нА

Входное сопротивление для диф-х сигналов

МОм

Диапазон входных напряжений

±

110

мкВ

Коэффициент усиления напряжения

250

тыс.

Размах входного напряжения

±

Входное сопротивление при разомкнутой ООС

Ом

Потребляемая мощность (макс.)

140

мВ

Диапазон регулирования напряжения смещения

±

ìÂ

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Стабилизированный источник питания вырабатывают дваравных выходных напряжения противоположной полярности с малым уровнем пульсаций.Точное равенство положительного и отрицательного выходных напряженийобеспечивается общим источником опорного напряжения и цепью следящей обратнойсвязи. Два операционных усилителя, входящие в состав стабилизатора, питаютсяего же выходными напряжениями. Выходной ток стабилизатора ограничен максимальнодопустимыми токами коллекторов транзисторов VT4, VT5.

Верхняя часть схемы представляет собой обычныйпоследовательный стабилизатор, формирующий выходное напряжение+15 В. Источником опорного напряжения, поданногона неинвертирующий вход операционного усилителя DА2, являетсястабилитрон, питающийся выходным стабилизированным напряжением. Наинвертирующий вход ОУDА2 через делитель R6— R8 поступаетвыходное напряжение стабилизатора. Разностный сигнал ошибки на выходеDА2 управляет составным транзисторомVT2, VT4таким образом,чтобы минимизировать величину ошибки.

Резистор R1обеспечивает начальное смещение регулирующего составного транзистораVT1, VT4, а конденсаторС1 предотвращает возникновение паразитной генерации. Для обеспечения заданноговыходного тока PсоставноготранзистораVT1, VT4должно быть не менее 400 Вт. Защитный резистор R3ограничивает выходной ток ОУ в случае короткого замыкания навыходе. Снижение уровня пульсаций выходного напряжения обеспечиваетсяконденсатором С3.

В другой части стабилизатора, вырабатывающей выходноенапряжение— 15 В, операционный усилитель DА3работаеткак инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления: резистор R15 является входным, а резистор R16 включен в цепь обратной связи. Поскольку на входтакого усилителя поступает стабилизированное напряжение+15 В, то опорное напряжение, формируемое стабилитроном VD6, используетсядля обеих частей стабилизатора. Благодаря единственному источнику опорного напряженияобеспечивается хорошее слежение за равенством положительного и отрицательноговыходных напряжений стабилизатора. Назначение остальных схемных элементов тоже, что и в стабилизаторе положительного напряжения.

Выходные напряжения стабилизатора устанавливают припомощи потенциометра (резистор R12).

Точность установки выходного напряжения—15 В относительно выходного напряжения+15 В определяется соотношением номиналовсопротивлений резисторов R15, R16и напряжением смещения операционного усилителяDА3. Для уменьшения разности между абсолютнымизначениями выходных напряжений стабилизатора можно подобрать сопротивлениярезистора R15или R16или же включить между резисторами R15, R16потенциометр,движок которого должен быть соединен с инвертирующим входом операционногоусилителяDА3. Этим же потенциометром принеобходимости можно установить нужную асимметрию выходных напряжений. Сохранениеравенства выходных напряжений при изменении температуры окружающей средыдостигается установкой резисторов R15, R16с низким или равным температурными коэффициентами(ТКС), например сопротивления типа ВС.

Для обеспечения нормального теплового режиматранзисторов VT4, VT5при максимальных токах нагрузки их необходимоустанавливать на радиаторы.

Стабилизированный источник питания обеспечиваетвыходные напряжения от ± 12В до ± 15В при выходном токе до500 мА с уровнем пульсаций выходного напряженияне более10 мВ.

Блок питания

Маломощный блок питания предназначен для питания отсети портативных транзисторных устройств, измерительных приборов и других маломощных устройств. Трансформатор Т1имеет коэффициент трансформации равный1 и служит только как разделительный длясоздания безопасности пользования блоком питания. Ограничителем сетевогонапряжения служит цепочка R1С1. Втабл.3 приведены данные для вариантаисполнения блока питания. В первом из них на выходе блока при напряжении9 В можно питать нагрузку, потребляющую50 мА; во втором варианте при том женапряжении на выходе можно получить ток до20мА. В первом варианте блока сердечник трансформатора стержневой, его набираютиз Г-образных пластин. Обмотки — размещают на противоположных стержнях. Еслипри приеме мощных станций будет прослушиваться фон переменного тока, следуетперевернуть вилкуXI в сетевой розеткелибо заземлить общий плюсовой провод блока.

Основные параметры

Таблица3

Название параметра

Числовое значение

Единица измерения

Ток нагрузки

мА

Напряжение на выходе

Коэффициент ослабления

100

Напряжение пульсаций

мВ

Стабилизатор выпрямителя защищен от перегрузок вовремякороткого замыкания на выходе или в нагрузке. Для уменьшения

габаритовтрансформаторТ1 выполнен на сердечникеиз пластин Ш6 при толщине набора 40 мм.Обмотка/ содержит3200 витков проводаПЭВ-1— 0,1 с прокладками из конденсаторнойбумаги через каждые500 витков, обмотка// имеет150витков ПЭВ-1— 0,2. Между обмотками/ и//намотан один слой провода ПЭВ-1— 0,1,служащий экраном. Максимальный ток нагрузки (до120 мА) можно увеличить, если вместо транзистора МП16 (VT6) установить П213, резисторы R1, R2и R3заменить соответственно на резисторысопротивлением220 0м,2,2 кОм

Маломощный блок питания[20] предназначен для питания от сети портативных транзисторныхприемников, измерительных приборов и других маломощных устройств. Трансформаторимеет коэффициент трансформации равный)и служит только как разделительный для создания безопасности пользования блокомпитания. Ограничителем сетевого напряжения служит щепочкаR1С1.В табл. 4приведены данные для блока питания. На выходе блока при напряжении9 В можно питать нагрузку, потребляющую50 мА; Блок сердечник трансформаторастержневой, его набирают из Г-образных пластин. Обмотки размещают напротивоположных стержнях. Если при приеме мощных станций будет прослушиваться фон переменного тока, следуетперевернуть вилкуX1 в сетевой розеткелибо заземлить общий плюсовой провод блока.

Таблица 4

Условное обозначение

Элемент

Сердечник6,5x10,окно 25х11MM,Обмотки содержат по850 витков провода ПЭЛ диаметром0,22 мм

2,0х300В

Д815Г

400,0х15В

510м0.5Вт

5. Выборэлементной базы

2.1Для обеспечения заданной частоты квазирезонанса (¦

=2 кГц) (согласно формулыдля частоты квазирезонанса RC-генератора- <img src="/cache/referats/2484/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> R1=R2, C1=C2) выбираем, резистор R1=820 Ом (из ряда Е24) типа МЛТ-0.25. Исходя из формулы(1) <img src="/cache/referats/2484/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1037">, типа К53-30.

6. Расчет погрешности прибора

6.1 Расчет неинвертирующего ОУ и анализ егопогрешностей

Исходныеданные

1)

Кu=70

2)

Uвх.ном.=±450 mV

3)

Rвх.=6 МОм

4)

gприв.=1 %

5)

Диапазонрабочих температур: Dt=±(20±10°C)

Проанализируемпогрешность, для чего примем исходную мультипликативную и аддитивнуюпогрешности равными по величине.

<img src="/cache/referats/2484/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> (1)

1.Проанализируем аддитивную составляющую погрешностипроектируемого ОУ:

1.1Вычислим погрешность от ЭДСсм.:

есм.=10×

10-6mV

<img src="/cache/referats/2484/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> (2)

Следовательнонет необходимости проводить дополнительную корректировку дрейфа нуля,обусловленную ЭДС смещения.

2. Анализсоставляющей погрешности от входных токов.

2.1 Примемпогрешность от входных токов равную 0.01%, определим по выражению:

<img src="/cache/referats/2484/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (3)

Из этойформулы определим допустимую величину R2, для чегов формулу (3) подставим значение D

i=75×10-9А и <img src="/cache/referats/2484/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> — коэффициент усиленияпо неинвертирующему входу:

<img src="/cache/referats/2484/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> (4)

2.2Определим суммарную погрешность от дрейфа нуля (аддитивную погрешность)

<img src="/cache/referats/2484/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> (5)

2.3Определим величину сопротивления

<img src="/cache/referats/2484/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> (6)

2. Проанализируем мультипликативнуюсоставляющую погрешности

2.1Вычислим погрешности обусловленные неточностью подгонки резисторов R3, R4.Тогдапогрешность от нестабильности сопротивлений резисторов может быть определена:

Пусть D

R1=5% от R1и равна 2100 Ом тогда:

Проанализируемвторую составляющую мультипликативной составляющей погрешности отнестабильности коэффициента усиления ОУ, принимая отношение<img src="/cache/referats/2484/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> и в соответствии сформулой:

<img src="/cache/referats/2484/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> (*)

Как видноиз формулы (*) изменения кuбудет вносить тем меньшую погрешность, чем большееусиление по замкнутому контуру b

к (петлевоеусиление).

ГлубинаООС: 1+b

к = <img src="/cache/referats/2484/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

СПЕЦИФИКАЦИЯ

Поз.

обозначение

Наименование

Кол

Примечание

Конденсаторы