|
|
Каргина М.Н. курсовой проект. Разработка и исследование автоколебательного мультивибратора на оу
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Ивановский государственный политехнический университет»
(ИВГПУ)
Кафедра: Мехатроники и радиоэлектроники
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств»
на тему: «Разработка и исследование автоколебательного мультивибратора на ОУ»
Автор работы Каргина М. Н.
подпись (Ф.И.О.)
Направление подготовки 11.03.01 «Радиотехника»
Номер зачетной книжки 196071 группа РТ-41 з
Руководитель работы Иванов А. В.
подпись (Ф.И.О.)
Работа защищена «___» ______2023 г. Оценка_______
Иваново 2023
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Студент Каргина М. Н.
Группа РТ-41з
Номер зачетной книжки 196071
Направление подготовки 11.03.01 Радиотехника
Дисциплина – Схемотехника аналоговых электронных устройств
Тема: Разработка и исследование автоколебательного мультивибратора на ОУ
Срок представления к защите 10.01.2023г.
Исходные данные для проектирования: f = 1–10 кГц, Uвых = 1 В, Rн = 10 Ом
Руководитель _____________ А. В. Иванов
 Содержание
Введение4
1. Выбор и обоснование схемы проектируемого устройства5
2. Разработка принципиальной схемы8
2.1. Расчет принципиальной схемы10
2.2. Выбор и обоснование элементной базы14
3. компьютерное моделирование и уточнение схемы18
4. Разработка печатной платы24
Заключение25
Список использованных источников26
Приложения27
 Введение
Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций. Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются ОУ в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число элементов, но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. ОУ очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.
Автоколебательный мультивибратор (АМ) представляет собой генератор прямоугольных импульсов типа меандр (периодический сигнал прямоугольной формы, длительность импульса и длительность паузы которого в периоде равны). АМ выполнен на операционном усилителе (ОУ). ОУ представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления Ку=104-105. ОУ используется в системах автоматики для выполнения математических операций: суммирование, деление, интегрирование, дифференцирование, сравнения двух величин, для построения регуляторов: П - пропорционального, ПИ - пропорционально-интегрирующего, ПИД - пропорционально-интегрирующе-дифференцирующего, релейного регулятора и т. д. А также для построения генераторов прямоугольной и синусоидальной формы импульсов.
 Выбор и обоснование схемы проектируемого устройства
Автоколебательный мультивибратор на ОУ
Автоколебательный мультивибратор или просто мультивибратор называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора на ОУ (рис.1).
Рис. 1. Типовая схема автоколебательного мультивибратора на микросхеме операционного усилителя.
Данный мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1C1.
Рассмотрим работу мультивибратора. В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта, который создается положительной обратной связью при помощи резисторов R2R3. Так как опорное напряжение триггера равно нулю, то напряжение верхнего порогового уровня будет равно:
 а нижнего порога переключения триггера:
Таким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю. В тоже время на выходе ОУ, вследствие неидеального ОУ, присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через положительную обратную связь (ПОС) R3R2 поступает на не инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ). Далее происходит усиление этого напряжения и на выходе ОУ происходит дальнейший рост напряжения.
Напряжение с выхода ОУ поступает также через цепочку R1C1, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, то рост напряжения на конденсаторе С1, а следовательно, и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на не инвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и не инвертирующем входе будет расти, следовательно будет происходить рост выходного напряжения.
В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе UC (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего порогового уровня UВП триггера Шмитта и выходное напряжение UВЫХ скачком станет равным отрицательному напряжению насыщения UНАС-. В результате чего ток через резистор R1 изменится на противоположный, а конденсатор С1 начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения UВП триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения UНАС+ триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует график расположенный ниже (рис.2).
 Рис.2. График напряжений в мультивибраторе: на выходе мультивибратора (верхний) и на конденсаторе С1 (нижний).
Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от постоянной времени интегрирующей цепочки R1C1, а также от ширины петли гистерезиса и в общем случае определяется следующим выражением:
При выборе конкретного типа операционного усилителя для построения симметричного мультивибратора исходим из того, что он должен обеспечивать необходимую скорость нарастания выходного напряжения и полосу пропускания.
Для разработки автоколебательного мультивибратора выбираем типовую схему (рис.1) и выбираем из справочника операционный усилитель, подходящий по параметрам из задания.
 2. Разработка принципиальной схемы.
Для разработки автоколебательного мультивибратора возьмем типовую схему мультивибратора (рис.1). Основой всех мультивибраторов на ОУ является компаратор с ПОС, поэтому принцип работы триггера Шмита лежит в основе принципа работы мультивибратора, в том числе и симметричного.
Устройство содержит две обратные связи – положительную обратную связь (ПОС) на основе делителя, состоящего из сопротивлений R2 и R3, и отрицательную обратную связь (ООС), содержащую пассивный интегратор на элементах R1 и C1.
Данная схема до конца не выполняет требования задания КП, а точнее, в этой схеме нет регулировки частоты выходного сигнала (по заданию 1–10 кГц), и ограничения амплитуды выходного сигнала (по заданию 1 В).
Самый простой и экономичный способ регулировки частоты выходного сигнала – это резистивный делитель в цепи отрицательной обратной связи, состоящий из двух резисторов постоянного и подстроечного. (рис.3).
Рис.3. Схема регулировки частоты ООС.
По заданию требуется положительная полуволна с амплитудой в 1 вольт. Поэтому в схему включим последовательно один диод для полупериодного сигнала. Для ограничения амплитуды выходного сигнала потребуется схема ограничения. Можно применить схему ограничения на транзисторах, стабилитронах, резистивном делителе и диодах. Так как нет стабилитронов на такое напряжение (1 вольт), а на транзисторах все равно придется использовать делитель на резисторах, то целесообразнее применить схему на диоде.
Для данной схемы придется применить 1 диод, включенный в прямом направлении и параллельно нагрузке, балластный резистор и шунтирующий резистор для точной настройки выходного напряжения. Принципиальная схема ограничения амплитуды (рис.4).
 Рис. 4. Принципиальная схема ограничения амплитуды на диодах.
 2.1. Расчет принципиальной схемы.
При выборе операционного усилителя нужно сразу выбрать ОУ с мощным выходным каскадом, так как в выходной цепи будет низкоомная нагрузка и схема ограничения амплитуды выходного сигнала.
Возьмем примерное напряжение выхода UВЫХ = 4 В, и сопротивление нагрузки и сопротивление схемы ограничения амплитуды RН+ОГР = 4 Ом.
Выберем операционный усилитель LM675T с параметрами: Uпmax = ±30 В, Uпmin = ±5 В,Iпит=18 мА, Iвых.max = 3000 мА, U+ = 22 В, U- =22 В, Uвх.диф.мах = 18 В, К = 700000, Rн.min = 8 Ом, VU = 8 В/мкс, Rвх= 100 МОм, Rвых= 3 мОм.
Условие баланса амплитуд для мультивибратора:  выполняется автоматически вследствие очень большого коэффициента усиления ОУ.
Сумма резисторов положительной обратной связи R3 и R2 не является критичной, ее можно брать в широком диапазоне. Однако изменение отношения R2/R3 влияет на частоту колебаний.
Например, если R2/R3 = 10, то
 и 
При этом величины R2 и R3 не должны быть малыми, чтобы выполнить условие для токов обратных связей, которые должны составлять не более 10% от максимально допустимого выходного тока микросхемы.
Определим порядок сопротивлений в цепях ОС, который удовлетворяет данному условию.
Таким образом, сумма резисторов R2 и R3 должна превышать 73,3 Ом.
 Это условие должно выполняться и для резистора R1. Для простоты выберем отношение между сопротивлениями R2 = 10R3, тогда зададим величину резистора R3 = 2 кОм, тогда R2 = 10R3 = 10*2 = 20 кОм.
Выберем номиналы сопротивления R2 и R3 из стандартного ряда Е24:
R2 = МЛТ-0,125 Вт 20 кОм. ±5%
R3 = МЛТ-0,125 Вт 2 кОм. ±5%
Произведем расчет цепочки отрицательной обратной связи R1 и C1. на частоте 
Где τ - постоянная времени цепи заряда конденсатораC1.
Теперь определим R1, приняв значение конденсатора C1 из ряда значений Е24 – 24 нФ.
C1 = 24нФ
Произведем расчет цепочки отрицательной обратной связи R1 и C1 на частоте 
Где τ - постоянная времени цепи заряда конденсатораC1.
Теперь определим R1, приняв значение конденсатора C1 из ряда значений Е24 – 24 нФ.
C1 = 24нФ
 Из расчета значение R1 =11,5 – 115,8 кОм для частоты 1–10 кГц, возьмем минимальное сопротивление для R1 =11,5 кОм, а для максимального сопротивления возьмем подстроечный резистор с регулировкой в диапазоне R4 = 0–115,8 кОм. Возьмем значение резистораR1из стандартного ряда Е24:
R1 = МЛТ-0,125 Вт 10 кОм, ±5%
R4 = 100 кОм.
Подберем диод для отсечки отрицательной полуволны
Произведем расчет для схемы ограничения амплитуды в 1 вольт.
Для питания микросхемы возьмем минимально допустимое двухполярное напряжение ±5 В, для того чтобы на выходе было минимальное напряжение.
Из графика видно, что выходное напряжение ниже на 1,2 В ниже питающего при напряжении питания ±5 В и нагрузке 4 Ом (Рис.5).
Рис. 5. График зависимости выходного напряжения от питающего напряжения и сопротивления нагрузки ОУ LM675T.
 Тогда получается, что требуется ограничить амплитуду с ±3,8 В до +1 В.
Простейшим ограничителем амплитуды является диодный, для его осуществления включаются диоды параллельно нагрузке.
Выберем ультрабыстрые диоды UF4002
Характеристики диода UF4002:
Максимальное постоянное обратное напряжение, Vr – 100 В
Максимальный (средний) прямой ток на диод, If (AV) – 1А
Максимальная частота f – 100 МГц.
Падение напряжения на диодах равно 0,7–1, в дифференциальном режиме падение будет ниже примерно 0,6 В. Получается переменное напряжение делится пополам и плюс падение напряжение на выпрямительном диоде.
Для ограничения тока потребуется балластный резистор, формула для расчета:
Где 
 – ток нагрузки
 = 1,3 В
 
Рассчитаем ток нагрузки по формуле:
Ток ограничителя амплитуды IОГР должен быть выше тока нагрузки, возьмем для расчета в 4 раза выше, чем ток нагрузки
 Рассчитаем мощность 
Возьмем значение резистораRБиз стандартного ряда Е24:
RБ= R5 = МЛТ-1 Вт 0,56 Ом ±5%
Для ограничителя амплитуды подберем сопротивление шунта.
Выберем диод UF4002, это ультрабыстрые диоды с напряжением 100 В и током 1 А.
f=10 кГц < fД=20 МГц, Uвых=1,3 В < UД=100 В, IВЫХ=0,4 А < IД=1 А
Диод подобран верно.
Расчет шунтирующего резистора
где UП.Д - падение на диоде 0,6 В
UШ – падение напряжения на шунтирующем резисторе
Найдем сопротивление RШ
Возьмем значение резистораRШиз стандартного ряда Е24:
RШ = R6 = МЛТ-0,25 Вт 1 Ом ±5%
2.2. Выбор элементной базы
Произведем подбор элементной базы для данной схемы.
Схема будет питаться от постоянного источника с двухполярным питанием ±5 В.
Монтаж схемы будет производиться в отверстия, поэтому будут применены радиоэлементы для сквозного монтажа.
 В качестве операционного усилителя выберем микросхему DA1 LM675T в корпусе TO-220, частота единичного усиления-5,5 МГц, выходной ток 3000 мА, напряжение питания минимальное (±5) максимальное (±30), В, рабочая температура от -40 до +70°С.
Рис. 6 Габаритные размеры микросхемы LM675T в корпусе TO-220.
Подберем резисторы согласно расчету выделяемой мощности металлопленочные МЛТ-0,125, МЛТ-0,25 МЛТ-1 Вт пределы номинального сопротивления 0,56 Ом – 20 кОм, допустимое отклонение от номинала ±5%, ТКС- ±0,0012, рабочая температура от -60 до +125°С, масса 0,15 г.
 Рис 7 Габаритные размеры резисторов МЛТ
Резистор подстроечный в корпусе 3296W-1-203LF, номинальное сопротивление 100 кОм, точность 20%, мощность рассеяния 0,5 Вт, рабочая температура от -65 до +150°С, масса 0,8 г.
Рис. 6 Габаритные размеры резистора 3296W-1-104LF, 100 кОм.
К10-17Б М47 24пФ, Конденсатор керамический выводной, материал диэлектрика керамика, допустимое отклонение ёмкости: ±10%, температурный диапазон: -60 +125°C, масса 0,14 г.
 Рис. 8 Габаритные размеры конденсатора К10-17Б М47 в корпусе MKTKO5X2R5.
 3. Компьютерное моделирование и уточнение схемы
Для проверки работоспособности и уточнения параметров схемы автоколебательного мультивибратора, проектируемого выше, будем использовать программное обеспечение для компьютерного моделирования NI Multisim 14.3.
Multisim™ — это программное обеспечение промышленного стандарта, поддерживающее SPICE. Оно применяется для моделирования и программирования схем для аналоговой, цифровой и силовой электроники в образовательной и исследовательской областях. ПО Multisim™ интегрирует стандартную симуляцию на основе SPICE с интерактивной схемотехнической средой для мгновенной визуализации и анализа поведения электронных схем.
Компонентная база программы состоит из огромного количества элементов. Разнообразие подключаемых к схеме виртуальных приборов Multisim позволяет быстро увидеть результат с помощью имитации реальных событий. А специальные интерактивные элементы (переключатели, потенциометры) позволяют в режиме реального времени производить изменения элемента с одновременным отражением этого в имитации.
Создадим компьютерную модель проектируемого устройства, а именно соберем схему автоколебательного мультивибратора на базе операционного усилителя с регулировкой выходного сигнала с параметрами:
f = 1-10 кГц;
Uпит = ±5 В;
Uвых = 1 В;
Rнагр = 10 Ом.
Номиналы радиокомпонентов принципиальной схемы берем из расчета выше.
 Рис. 9. Компьютерная модель мультивибратора в среде Multisim 14.
Рис. 10. Осциллограмма выходного сигнала 1 кГц, 1 В.
На осциллограмме видны паразитные отрицательные импульсы
Рис. 11 Переходные процессы в диоде при прохождении через него однополярного прямоугольного сигнала.
 При применении диодов в импульсных цепях следует учитывать, что их некоторая инерционность является причиной искажения формы проходящих через них импульсов.
Дополним данную схему емкостным фильтром, сначала замерим длительность импульса:
Рис.12 Длительность паразитного импульса ≈ 1 мкс.
Находим частоту 
Находим емкость 
Выбираем из ряда номиналов конденсаторов Е24:
CФ= C2 = 82 пФ.
Ставим конденсатор параллельно нагрузке.
Рис. 13. Осциллограмма выходного сигнала 1 кГц, 1 В.
 Рис. 14. Частота выходного сигнала 1 кГц
Рис. 15. Напряжение выходного сигнала 1 кГц
Напряжение выходного сигнала не соответствует заданному, увеличим сопротивление R6 с 1 Ома до 1,4 Ома.
Рис. 16. Напряжение выходного сигнала 1 кГц после увеличения сопротивления.
Снимем показания выкрутив резистор R4 на 10 кГц.
 Рис. 17. Осциллограмма выходного сигнала 10 кГц, 1 В.
Рис. 18. Частота выходного сигнала 10 кГц
Рис. 19. Напряжение выходного сигнала 10 кГц
 Вывод
При запуске моделирования мультивибратора на осциллограмме выходного сигнала на (рис.10) были видны помехи, добавив емкостной фильтр, помехи были устранены (рис.13). Частота на (рис.14) соответствует заданию, но на (рис.15) напряжение оказалось меньше расчетного, пришлось увеличить сопротивление R6 и напряжение было скорректировано согласно заданию (рис.16). На (рис. 17–19) измерения соответствуют заданию.
 4. Разработка печатной платы.
Печатная плата - изоляционное основание с нанесенным на его поверхность печатным монтажом. Наиболее распространены односторонние печатные платы (ОПП) и двухсторонние печатные платы (ДПП) с основаниями из слоистого диэлектрика. Наиболее распространены односторонние печатные платы (ОПП) и двухсторонние печатные платы (ДПП) с основаниями из слоистого диэлектрика. К недостаткам ООП следует отнести низкую плотность компоновки.
Печатная плата изготавливается из одностороннего фольгированного стеклотекстолита марки СТФ-1-50Г толщиной 1,5 мм ГОСТ 10316–78. Перенос рисунка на печатную плату производится методом фототрафаретной печати с использованием химически устойчивой краски. Травление печатной платы осуществляется с использованием хлорного железа. Сверловка платы производится вручную. Установка компонентов осуществляется сквозным монтажом в отверстия и запаивается вручную с помощью паяльника припоем ПОС-61 и канифолью.
Трассировка печатной платы производится с помощью программы UtilBoard.
 Заключение
В данной курсовой работе была разработан автоколебательный мультивибратор на операционном усилителе. Так же были произведены расчеты, моделирование с помощью ЭВМ и программного обеспечения Multisim 14, и была спроектирована печатная плата. При разработке функционального узла были произведены работы по выбору элементной базы, соответствующей техническому заданию и схеме электрической принципиальной. Требования технического задания были полностью учтены. Особое внимание обращалось на обеспечение высокой надежности и массогабаритные характеристики разрабатываемой печатной платы, что необходимо при разработке носимой аппаратуры. Проведенные проверочные расчеты показали состоятельность конструктивных решений, применяемых при проектировании.
 Список использованных источников
Конструирование и технология электронных систем. Курсовое проектирование. А. А. Костюкевич, В. М. Бондарик, А. П. Достанко, В. Ф. Алексеев Минск БГУИР 2012.
Ж.Марше. Операционные усилители и их применение. - М.: Энергия, 1985. - 254с. Полупроводниковая схемотехника в приборостроении. Чистополь 2017 г.
А.Г.Морозов. Электротехника, электроника, импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1987. - 480с.
Руководство для пользователей операционных усилителей Джон Ленк перевод В. Л. Левина И. М. Хейфец Москва 1978.
 Приложение
Вид со стороны установки элементов
 Вид со стороны печатного монтажа
 |
|
|
Скачать 1.27 Mb.