Разработка и рассчет релаксационного генератора на ИОУ

Содержание

 

1.       Задание………………….…………………………………………………3

1.1.    Расчётно- теоретические  сведения……………………………………....4

1.2.    Обоснование выбора  схемы……………………………………………...10

2.       Расчётная часть……………………………………………………………11

2.1    Анализ нестабильности………….……………………………………….. 11

Список литературы………………………………………………………………13

 

1. Задание.

 

Разработать и рассчитать релаксационный генератор на ИОУ (интегральной схеме операционного усилителя) в соответствии с данными.

 

Исходные данные	Предпоследняя цифра шифра
	7
Вид генератора	Мультивибратор
Режим работы	ждущий
Период следования импульсов T, мс	––
Частота запускающих  импульсов  , кГц	7

 

Исходные данные	Последняя цифра  шифра
	7
Длительность выходного  импульса , мкс	45
Длительность фронта выходного импульса , мкс

 

 

Проанализировать  нестабильность длительности генерируемых импульсов разработанного релаксационного  генератора в зависимости от разброса параметров навесных элементов.

1.1. Расчётно-теоретические сведения.

 

Основные  свойства интегральных операционных усилителей (ИОУ) используемые при построении импульсных генераторов различного назначения, - это наличие двух парафазных входов (инвертирующего и неинвертирующего), большое входное (сотни килоом и более) и малое выходное (десятки и сотни Ом) сопротивления, большой (десятки и сотни тысяч) коэффициент усиления по напряжению.

Полярность выходного  напряжения интегрального операционного

усилителя (ИОУ) определяется соотношением между , действующим на неинвертирующем входе, и , действующим на инвертирующем входе. Если , то на выходе формируется напряжение со знаком плюс, если , то полярность выходного напряжения отрицательная.

Выходное  напряжение при .

Следовательно, ИОУ усиливает  входной дифференциальный сигнал , а выходное напряжение усилителя ,

где K - коэффициент усилителя ИОУ при линейном режиме его работы.

Линейный режим работы ИОУ сохраняется только при изменении входного напряжения в пределах нескольких милливольт. При этом ИОУ обладает высокими усилительными свойствами. За пределами этого диапазона выходное напряжение ИОУ достигает максимума и становится независимым от входного, а полярность его зависит от знака дифференциального входного сигнала.

Возможность построения мультивибратора  на ИОУ обусловлена тем, что при соединении выхода ИОУ с его неинвертирующим входом получаем замкнутую резисторную или резисторно-конденсаторную цепь положительной обратной связи, обеспечивающую возможность возникновения лавинообразных процессов. При этом напряжение на выходе ИОУ меняется скачкообразно от своего максимального значения до минимального и наоборот - при изменении знака напряжения входного дифференциального сигнала.

Мультивибратор является релаксационным генератором. Он может работать либо в режиме автоколебаний, либо в ждущем режиме.

В режиме автоколебаний  он не имеет состояния устойчивого  равновесия. При работе мультивибратора в этом режиме существуют два чередующихся состояния квазиравновесия. Состояние квазиравновесия характеризуется сравнительно медленным изменением токов и напряжений, приводящих к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода мультивибратора из одного состояния в другое. Период колебаний при этом зависит от параметров схемы.

В ждущем режиме мультивибратор имеет состояние устойчивого равновесия и состояния квазиравновесия. Переход из первого во второе происходит в результате воздействия внешних запускающих импульсов, а возвращение в устойчивое состояние – самостоятельно по истечении некоторого времени, зависящего от параметров схем.

Таким образом, в данном случае каждый раз после запуска  мультивибратор генерирует один цикл колебаний.

При проектировании мультивибраторов в ждущем режиме используют схемы с различным включением времязадающей цепи (ВЗЦ). Можно включить ВЗЦ между выходом ИОУ и его неинвертирующим входом или между выходом ИОУ и его инвертирующим входом.

Схема мультивибратора  в ждущем режиме с ВЗЦ, включенной между выходом ИОУ и его инвертирующим входом, изображена на рис. 1, а.

В исходном состоянии конденсатор C, зашунтированный диодом VD1, разряжен, напряжение , (рис. 1). При подаче запускающего импульса положительной полярности происходит лавинообразный процесс, и выходное напряжение ИОУ становится равным +E, соответственно , . Конденсатор C начинает заряжаться через резистор R, стремясь зарядиться до напряжения Е в соответствии с выражением:

,

где . Диод  VD1 при этом закрыт.

Фактически  конденсатор зарядится до напряжения и ИОУ возвратится в исходное состояние, при котором , а . Конденсатор С начинает перезаряжаться, стремясь перезарядиться до напряжения . Однако по окончании отрезка времени , , диод VD1 откроется, и процесс дальнейшего перезаряда прекратится. При этом закончится стадия восстановления генератора.

Длительность  импульса определяется из выражения

,

откуда

.

Во время  восстановления генератора входное  напряжение изменяется по закону

,

критерием окончания  процесса восстановления генератора является условие

, откуда .

Нормальная  работа генератора обеспечивается при  выполнении условия , откуда .

Для генерирования импульсов  отрицательной полярности в схеме генератора на рис. 1 достаточно изменить полярность включений диода на обратную и запускать генератор импульсами положительной полярности.

Дифференциальный и  синфазный сигналы, как видно  из рис. 2, связаны соотношением . Чтобы исключить возможность выхода из строя ИОУ, требуется выполнить условия: ;

, откуда  или .

Например, для ИОУ, у  которого , , , а длительность импульса согласно формуле .

В этом случае длительность генерируемого импульса зависит только от постоянной времени .

 

Рис. 1 Автоколебательный генератор

Рис. 2 Дифференциальный и синфазный сигналы

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Обоснование выбора схемы.

 

Выбираем схему ждущего  мультивибратора с ВЗЦ, включённой между выходом ИОУ и его  инвертирующим входом (рис. 1).

Период следования запускающих импульсов:

T=1/f_з=1/(7*10³)=1,43*10^-4с=0,143 мс

Для нормально работы генератора необходимо выполнение условия 

где - постоянная времени.

Длительность выходного  импульса t_и=τ*ln(1/(1-γ))=45 мкс. Длительность фронта выходного импульса определяет выбор микросхемы, т.к. за время импульса определяет выбор микросхемы, т.к. за время выходное напряжение изменяется со скоростью . Если выбрать микросхему КД154УД3 с Vuвых=80В/мкс и E=15В, то .

Для этой микросхемы Uдфм=Uсфм=10В, тогда .

Длительность импульса при этом зависит только от постоянной времени  : .

Отсюда   

 Условие  выполнено.

2. Расчётная часть.

 

Примем  , найдём .

Из стандартного ряда (приложение 3) выберем R=2,0кОМ.

Тогда

. . Для уменьшения тока делителя выберем достаточно большим. Поскольку нужно получить , то , , отсюда .

Примем  , . Класс точности .

Разделительный конденсатор c’ возьмём с c’=0,1мкф.

2.1. Анализ нестабильности.

 

Если взять класс  точности резистора R и конденсатора с , то их максимальные величины равны соответственно и , а , .

Тогда ,

.

 

Отклонение 

,

.

Отклонение 

.

Итак, в случае одновременного отклонения величин R и C от номиналов на +5% получим отклонение длительности импульсов , а при отклонении на –5% отклонение длительности

Итак  .

Условие

выполнено, т.е. нормальная работоспособность схемы сохраняется  при  и .  

 

                                                                                                  

Спецификация элементов  мультивибратора

 

№п/п	Обозначение	Тип	Количество
1	R1	Резистор  МЛТ-0,5-10кОм± 5%	1
2	R2	Резистор  МЛТ-0,5-20 кОм± 5%	1
3	R’	Резистор  МЛТ-0,5-2,0 кОм± 5%	1
4	C’	Конденсатор К-1050-0,1 мкФ±5%	1
5	C	Конденсатор КТ-2-20 пФ±5%	1
6	Д	Диод полупроводниковый  Д226А	1
7	AI	Операционный  усилитель К154УДЗ	1

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Воробъев  Н.И. “Проектирование электронных  устройств” - М.: Высшая школа, 1989 г.

2. Гутников B.C. “Интегральная электроника в измерительных устройствах” - Л.: Энергоатомиздат, 1988 г.

3. Александров К.К., Кузьмина  Е.Г. “Электротехнические чертежи  и схемы” - М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

4. Дж. Ленк. “Электронные  схемы” - М.: Мир, 1985 г.