Проектирование блока горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа

Проектирование блока горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа

Введение

Электронно-лучевой осциллограф является наиболее универсальным измерительным прибором, позволяющим исследовать сложные электрические процессы, визуально наблюдать форму сигналов, измерять их амплитуду, временные параметры, фазовые соотношения и т.п. С помощью ЭЛО можно измерять ток, частоту, мощность, снимать амплитудные и фазовые характеристики радиоустройств, ВАХ электронных приборов.

Темой курсового проекта является проектирование блока горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Для этого необходимо правильно оценить электрические требования к нему, выбрать элементную базу, разработать структурную схему прибора, освоить и применить предлагаемые методики расчета базовых усилительных каскадов и рассчитать элементы принципиальной электрической схемы.

Сведения о форме сигнала, длительности и других необходимых для расчета параметров приведены в техническом задании. При непосредственном проектировании учитывались такие требования, налагаемые на современные электрические измерительные приборы как экономичность, стабильность работы в рабочем диапазоне температур, степень нелинейных искажений и др.

В соответствии с ТЗ необходимо разработать БГО осциллографа, который позволяет наблюдать сигналы на ЭЛТ и измерять их параметры. Отклонение луча по горизонтали достигается путем подачи линейно изменяющегося напряжения на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Блок должен работать в режиме ждущей и непрерывной развертки, внешней и внутренней синхронизации. При выполнении проекта предусматривается возможность настройки длительности развертки, полярности импульса, стабильности и уровня. Необходимо обеспечить возможность регулировки яркости изображения на экране ЭЛТ, смещения луча по горизонтали. Разработанный в данном курсовом проекте усилитель горизонтального отклонения не является универсальным устройством, так как проектировался для конкретного сигнала с заданными параметрами.

1. Структурная схема БГО

В состав усилителя горизонтального отклонения входят следующие каскады, описание которых приведено ниже.

1 Тактовый генератор - вырабатывает электрические импульсы заданной частоты для синхронизации процессов в цифровых устройствах.

Делитель частоты - электронное устройство, уменьшающее в целое число раз частоту подводимых к нему периодических колебаний. Для деления частоты применен электронный счётчик.

Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) - электронное устройство, выходное напряжение которого в течение некоторого времени изменяется по линейному закону. Каскад формирует линейно изменяющееся напряжение, которое управляет ходом луча на ЭЛТ.

Оконечный каскад (ОК) - устройство, обеспечивающее усиление сигнала до заданного уровня и подачу его на временные отклоняющие пластины ЭЛТ.

Электронно-лучевая трубка - электровакуумный электронный прибор, предназначенный для преобразования информации, представленной в форме электрических сигналов.

Входной каскад - устройство, предназначенное для формирования запускающего импульса при достижении входным сигналом порогового значения напряжения. Для запуска может быть использован сигнал с предварительного усилителя или внешний сигнал, поданный на гнездо входа синхронизации с внешнего генератора. Каскад находится на входе БГО и выполняет функции сопряжения БГО с внешними цепями запуска и УВО.

Устройство управления ГЛИН - устройство управления запуском генератора линейно изменяющегося напряжения. На данном каскаде осуществляется выбор автоколебательного или ждущего режима.

Схема подсвета луча - используется для подсвета луча при его прямом ходе. Каскад выполнен на транзисторном ключе.

Калибратор - устройство, предназначенное для генерации фиксированных (по амплитуде и частоте) прямоугольных импульсов, служащих для точной установки коэффициента усиления (УВО) и длительности развертки (БГО). Требования к этому устройству будут состоять в высокой стабильности собственных параметров. Выбор длительности и амплитуды импульсов производится, исходя из ТЗ. Калибратор выполнен в виде отдельного блока на ОУ. Используется для выработки сигнала-эталона.

2. Расчет технических требований к УГО

Технические требования к параметрам БГО определяются из требований ТЗ и в дальнейшем определяют выбор элементной базы. Определим диапазон длительности развертки. Максимальная длительность рабочего хода луча: T_{раб max}=120 мкс. Определим коэффициент заполнения, учитывая, что максимальная длительность входного сигнала τ_{и max}=100 мкс:

1,2. (2.1)

Минимальная длительность рабочего хода луча:

1,2, (2.2)

где  - минимальная длительность входного сигнала.

Согласно ТЗ =10 мкс откуда следует, что T_{раб.мин}=12 мкс.

Время обратного хода луча рассчитывается по формуле:

. (2.3)

Из формулы (2.3) следует, что  мкс и 24 мкс.

Амплитуда выходного напряжения БГО определяется размерами экрана и чувствительностью ЭЛТ в соответствии с выражением:

, (2.4)

где  - размер рабочей части экрана по горизонтали, мм;

Для ЭЛТ 8ЛО4И согласно справочным данным a=60 мм и S_x=0,8 мм/В, откуда U_вых=75В.

3. Расчет ГЛИН

В качестве ГЛИН используем схему, представленную на рисунке 2.

ГЛИН построен на 8-разрядном ЦАП DD10 (AD9708) с выходом по току. Характеристики микросхемы приведены в Приложении 1. Выходной ток преобразуется в напряжение операционными усилителями DA4 и DA5 (AD8055ART), характеристики которых приведены в Приложении 1.

Расчет сопротивлений:

 Ом. (3.1)

Для управления ЦАП используется 8-разрядный счетчик DD9 (КР1554ИЕ23), на вход синхронизации которого подаются сигналы с устройства управления разверткой, сигналы сброса поступают с устройства управления генератором линейно изменяющегося напряжения.

ЦАП отсчитывает 2^8=256 тактов. В этом случае выходное напряжение ЦАП достигает значения 1,25 В. На последнем такте работы счетчика на всех его уровнях устанавливается высокий уровень. Сигнал поступает на устройство управления ГЛИН. Задержка, обусловленная работой данного блока, формируется из времени задержки счетчика (не более 20 нс) и времени установления выходного тока ЦАП (не более 2 нс), общая задержка блока не превышает 22 нс.

4. Устройство управления

Структурная схема устройства приведена на рисунке 3.

Устройство управления реализовано на счетчике DD12 (КР1533ИЕ5), RS-триггере (138ТР1), устройстве выбора режима работы SA5 (ждущая/непрерывная) и элементах "И" и "НЕ".

При выборе ждущего режима (SA5 в нижнем положении) сигнал, пришедший с компаратора, переключает триггер, таким образом разрешая работу счетчика DD9. Счетчик начинает считать. По окончании прямого хода (256 тактов), триггер DD13 переключается в исходное состояние сигналом, пришедшим с элемента DD7.3. Счетчик сбрасывается, и триггер ждет следующего импульса.

Автоколебательный режим (SA5 в верхнем положении). Сброс счетчика DD12 осуществляется подачей низкого уровня на входы установки (, ), а сброс счетчика DD12 - подачей высокого уровня на входы установки. Таким образом, счетчики работают асинхронно. С помощью счетчика DD12 (КР1533ИЕ5) формируется задержка, равная 1/16 от длительности прямого хода.

Используемым в данной схеме RS- триггером является микросхема 138ТР1 - ТТЛ-элемент со временем задержки 10 нс.

Для элементов DD11 выбрана микросхема К555ЛИ6.

Для элементов DD7 выбрана микросхема К555ЛИ3.

Для элемента DD1 выбрана микросхема К555ЛН1.

Параметры данных микросхем приведены в Приложении 1.

Расчет RC-цепочки C10-R25: Задаем τ=300 нс,

, (4.1)

Отсюда R25=1 кОм, C=300 пФ. Для регулировки переменного тока через диод VD13 необходимо сопротивление R59. Выбираем его равным 5,1 Ом. Таким образом при переключении элемента DD7.3 из нуля в единицу будет исключено короткое замыкание.

5. Делитель частоты

Схема делителя частоты представлена на рисунке 5.

В схеме используется два 4-разрядных счетчика DD2 и DD3 (КР1533ИЕ2), 4 элемента "И" DD5.1 - DD5.4 (К555ЛИ1). Параметры микросхем приведены в Приложении 1.

Определим значения длительности развертки. Для определения частоты воспользуемся формулой:

, (5.1)

где n - количество тактов работы ЦАП,

Т_раб - длительность рабочего хода.

В случае n=256 и Т_{РАБ min}=1,2 мкс:

.

Учитывая, что рабочая часть экрана составляет 60 мм (6 больших делений), определим длительность развертки:

. (5.2)

Для остальных случаев:

 - деление частоты генератора на 2 (2₁₀=10₂);

 - деление на 5 (101₂);

 - деление на 10 (1010₂);

 - деление на 20 (10100₂).

 - деление на 50 (1010₂);

 - деление на 100 (10100₂).

Расчет R19 и C3:

, (5.3)

Выберем τ=500 нс, отсюда R19=1 кОм, C3=510 пФ.

6. Тактовый генератор

В качестве тактового генератора была выбрана типовая схема кварцевого автогенератора с буферным выходным элементом DD1.3 [2]. Генератор обеспечивает частоту 1 МГц с возможностью подстройки (изменение емкости 1-15 пФ). Генератор реализован на цифровых микросхемах К555ЛН1. Схема тактового генератора приведена на рисунке 4.

7. Устройство управления разверткой с индикацией

Структурная схема устройства приведена на рисунке 5.

Устройство управления разверткой представлено мультиплексором DD8 (КР1533КП7), на входы данных D0-D6 которого подаются сигналы с тактового генератора и делителя частоты. Делитель частоты позволяет разделить частоту генератора для получения необходимой развертки.

Управление мультиплексором производится счетчиком DD4 (КР1533ИЕ2), сигналы на который подаются с кнопочного переключателя развертки. При появлении высокого уровня на выходе элемента DD7.1 cчетчик обнуляется.

Для правильной работы мультиплексора необходимо на вход  подать сигнал низкого уровня.

Для индикации выбранной развертки используется дешифратор DD5 (155ИД10), на входы А0-А2 которого подается сигнал со счетчика DD4. Дешифратор ИД10 выполнен с открытыми коллекторными выходами и возможностью подключения повышенного напряжения на выходе до 15 В.[2]

К выходам дешифратора подключаем последовательно резисторы и светодиоды. Светодиоды VD3-VD9 (АЛ307Б) выбираем с красным цветом свечения, его параметры представлены в Приложении 1.

Расчет номиналов сопротивлений R12-R18:

, (7.1)

где:  - падение напряжения на резисторе;

 - напряжение питания 5 В;

 - падение напряжения на диоде 2 В;

 - напряжение на коллекторе выходного транзистора микросхемы 0,4 В.

Из формулы (7.1) получаем:  В.

, (7.2)

Где  - номинальное значение тока через диод 10 мА.

Получаем:  Ом.

Расчет R4, C7:

, (7.3)

Причем τ должна быть меньше 1 мкс (минимальной длительности развертки), выберем τ=200 нс.

Отсюда R4=2 кОм, C7=100 пФ.

8. Расчет схемы запуска

электронный лучевой осциллограф генератор

Устройство синхронизации и запуска развертки преобразует различные по форме и амплитуде сигналы в стандартные импульсы и позволяет выбрать момент времени для запуска развертки, который соответствует определенному уровню исследуемого сигнала. Вход устройства может быть открытым и закрытым. В большинстве случаев достаточен запуск по переменному току. Но при исследовании сигналов, статистически распределенных во времени, необходимо пользоваться открытым входом. В противном случае в результате изменения постоянной составляющей, обусловленного присутствием разделительных емкостей, менялся бы уровень напряжения сигнала, определяющий момент запуска развертки, что привело бы к размытости изображения на экране ЭЛО.

Устройство синхронизации состоит из следующих основных функциональных узлов:

·        переключателя входа, при помощи которого выбирается запускающий сигнал;

·        входного аттенюатора

·        переключателя полярности запускающего сигнала, при помощи которого можно выбрать момент запуска развертки во время возрастающей или спадающей части сигнала;

·        усилителя, при помощи которого запускающий сигнал достигает необходимого уровня;

·        схемы сравнения (компаратор).

·        формирователя коротких импульсов запуска и синхронизации с постоянными крутизной фронта и амплитудой, независящими от параметров входного сигнала.

Схема запуска предназначена для формирования запускающего импульса при достижении входным сигналом порогового значения напряжения. Короткий положительный импульс необходим для запуска устройства управления ГЛИН. Схема запуска должна работать как с внутренней синхронизацией (сигнал поступает с БВО), так и внешней (сигнал поступает с внешнего генератора). В случае внутренней синхронизации входной сигнал от БВО снимается с ПУ и имеет минимальную амплитуду 10 мВ. Предусмотрен запуск по положительному и отрицательному фронтам. Для надежного срабатывания компаратора необходима амплитуда около 1 В. Поэтому входной сигнал схемы запуска следует усилить. В данном случае используется ПУ на ОУ с коэффициентом усиления K=100. Усиленный сигнал подается на схему сравнения (компаратор).

Если входной импульс имеет большую амплитуду, чем пороговое напряжение компаратора, то на выходе имеем логическую единицу. Cформированный сигнал имеет длительность, равную минимальной длительности входного сигнала . Переключатель SА3 служит для переключения режима работы (с открытым или закрытым входом). С помощью S1 в режиме внешней синхронизации входной сигнал может быть ослаблен с помощью компенсированного делителя R8, R9, C5, C6. Диоды VD1,VD2 предназначены для защиты входного каскада от пробоя при случайной подаче входного сигнала большой амплитуды. Для корректной работы устройства управления необходимо, чтобы длительность запускающего импульса была меньше рабочего хода луча. Поэтому на выходе схемы запуска ставится формирователь импульсов, который реализован на дифференцирующей RC-цепи. Таким образом, на выходе схемы запуска будет получен необходимый синхросигнал. Схема запуска изображена на рисунке 6.

Расчет входного аттенюатора

В качестве аттенюатора выберем компенсационный делитель с коэффициентом деления 1:10. Делитель используется только в режиме внешней синхронизации. Ключ SA3 отключает входную емкость для обеспечения возможности учета постоянной составляющей сигнала. Схема входного делителя представлена на рисунке 7.

Примем .

При делении 1:10 коэффициент делителя рассчитывается следующим образом:

, отсюда

Для исключения искажения формы импульса аттенюатором постоянные времени RC цепей должны быть равны:

Входная емкость С4 должна обеспечивать неискаженную передачу сигнала во всем частотном диапазоне. Так как входной сигнал - прямоугольный, биполярный, зададим значение коэффициента низкочастотных искажений М_н=0,707 и значение нижней граничной частоты f_н=100 Гц.

Выбираем С1=10 пФ.

Расчет предварительного усилителя

На выходе каскада предусилителя БВО значение амплитуды напряжения равно 5 мВ (с учетом того, что входной сигнал является биполярным). Необходимо усилить данный сигнал до уровня, который компаратор будем способен захватить. Зададим коэффициент усиления ПУ равным K=U_выхПУ/U_вх=100. Соответственно на выходе ПУ имеем амплитуду U_выхПУ=1 В. Выберем ОУ фирмы Analog Devices AD811J (приложение 1) с питанием ±5 В. Рассчитаем значения сопротивлений:

. (8.5)

Возьмем сопротивление R10=5,1 кОм. Согласно формуле (8.5) R11= 51 Ом. Расчет ограничителя напряжения

Для предотвращения подачи напряжения при внешней синхронизации, способного вывести из строя весь усилительный каскад, на вход схемы перед компаратором установлен диодный ограничитель. Синхронизирующий сигнал, может быть как положительной, так и отрицательной полярности, поэтому необходимо установить два диода, ограничивающих обе полярности входного сигнала. Амплитудный ограничитель представляет собой два диода КД521А (см. Приложение 1), включенных параллельно друг другу. Сопротивление R_огр, которое необходимо включить для падения напряжения на нем, определяется по формуле:

, (8.6)

где U_{вх.макс} - максимальное входное напряжение на входе внешней синхронизации (5 В);

U_пр - прямое напряжение диода (0,68 В);

I_д.макс - максимальный ток диода (100 мА).

Согласно формуле (8.6) R_огр=R7=43 Ом.

Зададим потенциал по постоянному току высокоомным резистором R6=1 МОм в режиме закрытого входа.

Расчет элементов компаратора

В схеме запуска ГЛИН используется компаратор AD8561, параметры которого приведены в Приложении 1. Компаратор генерирует на выходе логическую единицу ТТЛ-уровня, если входной сигнал превысит пороговый, в противном случае на выходе компаратора имеем логический ноль. Согласно Приложению 1 логические "1" и "0" имеют уровни напряжения, равные соответственно 3,5 В и 0,2 В. Т.к. входной сигнал и сигнал синхронизации может иметь как положительную, так и отрицательную полярность, пороговое напряжение также должно быть двуполярным. СЗ можно реализовать и на одном компараторе с пороговым напряжением, изменяющимся от -U_пор до +U_пор. Для исключения задержек, вызванных фронтом входного сигнала, уровень порогового напряжения сделан переменным. Пусть ток делителя равен I_дел=1 мА. Зададим предел изменения порогового напряжения U_пор=0.4¸2 В. Напряжение питания E=5 В. Сопротивления R20 и R21 рассчитываются по следующим формулам:

, (8.7)

. (8.8)

Полученные значения сопротивлений R20 и R21 равны соответственно 1,6 кОм и 430 Ом. Расчет для отрицательного порогового напряжения аналогичен и дает такие же значения сопротивлений R22, R23.

Расчет элементов формирователя

Как было сказано выше, формирователь необходим для укорачивания импульсов поступающих с компаратора. Длительность запускающего импульса должна удовлетворять условию:

. (8.9)

Длительность формируемого импульса рассчитывается по формуле:

. (8.10)

Выберем R24=510 Ом. Тогда из формулы (8.10) и условия (8.9) получим C8£7 нФ. Выберем C8=6,8 нФ. Для ограничения отрицательной полярности запускающего импульса, обусловленной спадом сигнала с компаратором и его дифференцированием на RC цепочке, на выход СЗ необходимо поставить диод. Диод VD1 выбран из серии MBR0520LT1 (см. Приложение 1). Напряжение прямосмещенного диода чрезвычайно мало 0.38 В и не превышает U_пор=1 В. Ограничение напряжения происходит на уровне 0.38 В. Сопротивление R_огр=R25 определяется по формуле (8.6) С учетом того, что I_д.макс=50 мА и U_{вх.макс}=U_{вых.комп}=3.5 В, получим R_огр=R25=60 Ом.

9. Расчет схемы подсвета луча

Схема подсвета луча предназначена для усиления яркости пучка при его прямом ходе. В качестве ключевого элемента используется транзисторный ключ. Управление ключом осуществляется устройством управления ГЛИН.

Управлять интенсивностью электронного пучка в ЭЛТ возможно, подавая необходимое запирающее напряжение на модулятор. Следовательно, в течение длительности прямого ходе луча ключ должен находиться в открытом состоянии и наоборот. Согласно справочным данным допустимый диапазон напряжений, подаваемых на пластины модулятора, является -114…-38 В относительно катода (напряжение катода составляет -700 В). В рассматриваемой схеме реализована подача +100 В в течение длительности прямого хода луча. Если ручка регулятора яркости стоит в крайнем положении, соответствующему подаче -1010 В, то подача напряжения +75 В уменьшает потенциал модулятора до -1085 В, что обеспечивает надежный подсвет луча при максимальной яркости.

В качестве ключевого элемента выберем транзистор IRF5801 (Приложение 1). Ключ приводится в действие импульсом, поступающим со схемы запуска (элемента DD13). Схема гашения луча приведена на рисунке 9.

10. Расчет оконечного каскада

Оконечный каскад собран по схеме дифференциального каскада. Параметры транзисторов приведены в Приложении 1. Нагрузкой оконечного каскада являются отклоняющие пластины ЭЛТ 8ЛО4И. При расчете каскада следует учитывать емкостный характер нагрузки. ОК используется для получения симметричного парафазного напряжения, подаваемого на горизонтальные пластины ЭЛТ. Выходной размах напряжения составляет 75 В. Соответственно, размах с одного плеча равен 37,5 В. Т.к. размах входного напряжения равен 1,25 В, то КУ всего ОК равен 60. Схема оконечного каскада приведена на рисунке 9.

Выбор транзистора

При выборе транзистора для дифференциального каскада учитывалось:

·        Допустимое напряжение U_КЭ транзистора должно обеспечивать передачу двойного выходного напряжения, т.к. по условию входной сигнал может быть произвольной полярности, кроме того, необходимо, чтобы был некоторый запас по амплитуде.

·        Необходимо, чтобы транзистор мог обеспечить нужную верхнюю частоту, т.е. должно быть соответствующим fa (fb).

МГц. (10.1)

Должен обеспечиваться требуемый коэффициент усиления. Выбирается b.

·        Допустимое напряжение U_БЭ должно удовлетворять параметрам входного сигнала.

С учетом этих требований был взят транзистор BF587, параметры которого приведены в Приложении 1.

Выбор рабочей точки

Расчет ведем для одного плеча дифференциального каскада как для схемы с фиксированным напряжением на базе. При выборе источника коллекторного питания транзисторов выходного каскада следует учитывать следующее: для обеспечения хорошей линейности усиления следует предусмотреть запас по напряжению питания. Исходя из требований к выходному напряжению, виду сигнала и возможностей транзистора выбраны следующие параметры рабочей точки: Е_К = 320 В, Uкэ = 350 В (для размаха в обе стороны по 75 В, с запасом). Для того чтобы усилитель работал с минимальными нелинейными искажениями в режиме большого сигнала, рабочую точку следует выбирать по возможности дальше от областей отсечки и насыщения, но при этом не должна быть превышена допустимая мощность рассеяния. Поэтому величину тока в рабочей точке найдем по допустимой мощности рассеяния без теплоотвода Р_к:

 мА (10.2)

Выбираем I_к0=8 мА, тогда амплитудное значение коллекторного тока с учетом принятого при расчетах 30% запаса на изменение рабочей точки с температурой  мА (10.3)

Расчет параметров транзистора

Рассчитаем некоторые параметры транзистора.

Ток базы в рабочей точке

 мА. (10.4)

Ток эмиттера равен:

мА. (10.5)

Рассчитаем сопротивление эмиттера транзистора:

Ом. (10.6)

Коэффициент "2" в знаменателе дроби учитывает зависимость r_Э от рабочей точки.

Возьмем типовыми r_КБ = 100кОм и r_Б = 100 Ом, тогда входное сопротивление транзистора:

Ом. (10.7)

Крутизна в рабочей точке будет равна:

мА/В. (10.8)

Выходное сопротивление транзистора:

 кОм. (10.9)

Расчет параметров каскада

Исходя из выбора рабочей точки, рассчитаем каскад по постоянному току.

Рассчитываем значение коллекторного сопротивления

кОм. (10.10)

Напряжение на эмиттере транзистора:

 В. (10.11)

Сопротивление в цепи эмиттера:

кОм (10.12)

Найдем сопротивления базового делителя R44 и R50. Зададимся током делителя

 мА. (10.13)

Рассчитываем значения сопротивлений с учетом падения напряжения U_см = 0,7 В на эмиттерном переходе кремниевого транзистора

 кОм, (10.14)

 кОм. (10.15)

Требуемый коэффициент усиления плеча каскада с ООС

. (10.16)

При идеальной симметрии плеч обратная связь через сопротивление R52 отсутствует и при достаточно большом сопротивлении R48 в цепи эмиттера коэффициент усиления на средних частотах равен

кОм. (10.17)

Для корректировки коэффициента усиления плеч каскада R48 выбираем переменным. Общее эмиттерное сопротивление рассчитывается как

Ом, (10.18)

Входное сопротивление усилителя по переменному току:

 кОм. (10.19)

Расчет термостабильности схемы

Изменение неуправляемого тока коллекторного перехода

 мкА. (10.20)

Температура вызывает смещение

. (10.21)

Изменение с температурой β

. (10.22)

Общее изменение коллекторного тока

Поскольку при выборе рабочей точки мы задались ее допустимым температурным смещением 30 %, практическим условием удовлетворенной термостабильности усилителя  мА. (10.24)

Можно сделать вывод, что каскад термостабилен.

Расчет сопротивлений и частотных свойств каскада с ООС по току

Рассчитаем постоянные времени каскада в области верхних частот, считая, что нагрузка каскада состоит из активного сопротивления делителя регулировки смещения по горизонтали R_н=1 Мом и емкости пластин С_н=10 пФ.

кОм. (10.25)

Постоянная времени транзистора:

нс. (10.26)

, МГц (10.27)

Приведенная коллекторная емкость:

пФ. (10.28)

Постоянная коллекторной цепи

мкс. (10.29)

Постоянная цепи нагрузки

нс. (10.30)

Суммарная постоянная времени в области верхних частот

мкс. (10.31)

Верхняя частота каскада без ООС будет равна:

кГц. (10.32)

ООС по току увеличивает полосу пропускания:

 МГц (10.33)

Используем в каскаде разделительные емкости, значения которых находим по нижней частоте каскада.

Зададимся нижней частотой каскада 100 Гц.

Для расчета емкости С_св необходимо знать выходное сопротивление предыдущего каскада. Выходное сопротивление источника сигнала .R_г=100 Ом. Коэффициент низкочастотных искажений М_н распределяем равномерно между емкостями связи

. (10.34)

Значения емкостей:

мкФ

 нФ

11. Расчет калибратора

Калибратор предназначен для генерации фиксированных по амплитуде и частоте прямоугольных импульсов (сигнала-эталона) и используется для проверки работоспособности осциллографа и его предэксплуатационной настройки. Калибратор построен на ОУ с кварцевой стабилизацией частоты. Требования, предъявляемые к данному устройству, заключаются в высокой стабильности собственных параметров. Длительность и амплитуда генерируемых импульсов должны лежать в пределах соответствующих значений входного сигнала согласно ТЗ, а именно U_вх=10¸100 мВ и t_и.вх=10¸100 мкс. Сформулируем требования, предъявляемые к калибратору, которые определены исходя из усредненных параметров входных исследуемых сигналов:

длительность импульсов: t_имп=50 мкс;

скважность: q=2;

период повторения: T=120 мкс;

частота колебаний: f=8 кГц;

амплитуда импульсов: U_вых=2.5 В;

Схема калибратора приведена на рисунке 10.

Из рисунка 10 видно, что калибратор представляет из себя АМВ на ОУ AD8055ART с кварцевой стабилизацией частоты. Параметры ОУ приведены в Приложении 1. Для реализации калибратора необходим кварцевый резонатор с частотой f=8 кГц.

Зададим ток заряда и разряда емкости равным I_C=4 мА, выходной ток ОУ I_выхОУ=10 мА, входной ток УВО I_вхУВО=1 мА. Тогда ток делителя в цепи ПОС можно рассчитать по формуле:

, (11.1)

откуда получаем I_дел=5 мА.

Рассчитаем сопротивления в цепи делителя R55 и R56. Напряжение, снимаемое с резистора R56, равно пороговому. Напряжение питания ОУ ±5 В. Максимальный размах выходного напряжения равен U_вых=±3,1 В. Примем максимальное напряжение на времязадающей емкости равным 1 В. Тогда пороговые напряжения будут равны U_пор=±1 В. С учетом сказанного рассчитаем сопротивления по формулам:

, (11.2)

, (11.3)

Расчет дает следующие значения сопротивлений R55=430 Ом, R56=200 Ом.

Рассчитаем сопротивление в цепи заряда конденсатора С:

. (11.4)

Из формулы (11.4) получаем значение сопротивления в цепи заряда конденсатора R53=750 Ом.

Скважность генерируемых импульсов была выбрана равной q=2, т.к. это обеспечивает равную длительность положительных и отрицательных импульсов. Именно поэтому нет необходимости разделять цепь заряда и разряда емкости.

. (10.5)

Согласно исходным данным t_имп=100 мкс. Из (10.5) получаем C21=200 нФ. Для подстройки частоты кварцевого резонатора в цепь ПОС необходимо включить переменную емкость C22=15 пФ.

Максимальный ток инвертирующего входа ОУ равен I^-_вх=1 мкА. Для развязки неинвертирующего входа по постоянному току в цепь ПОС необходимо поставить сопротивление R54=100 кОм. Тогда напряжение на неинвертирующем входе равно U⁺_вх=I^-_вх×R54=0,1 В.

Для стабилизации выходного напряжения обеих полярностей на выходе калибратора стоят два стабилитрона VD11 и VD12 серии BZX84C (см. Приложение 1) с напряжением стабилизации равным 2,5 В. Ограничивающее сопротивление R57 рассчитывается по формуле:

, (11.6)

где U_стаб - напряжение стабилизации (2,5 В);

I_стаб - ток стабилизации (2 мА).

Согласно формуле (10.6) R57=300 Ом. На выходе схемы калибратора мы имеем стабилизированный уровень выходного напряжения 2,5 В.

Расчет R58:

, (11.7)

, (11.8)

, (11.9)

Отсюда:  кОм

12. Расчет цепи питания ЭЛТ

Схема питания электронно-лучевой трубки 8ЛО4И представлена на рисунке 13.

Резистор R6 предназначен для выравнивания потенциалов катода и модулятора с целью исключения влияния объемного заряда и токов утечки в промежутке катод - нагреватель. Выберем R6 = 3 МОм. Сопротивление R35 предотвращает влияние токов утечки модулятора на режимные потенциалы делителя R32 - R3, R36, R37 и предотвращает шунтирование этим делителем выхода усилителя подсвета. Зададимся значением R35 = 1 МОм.

Емкость С15 - фильтрующая, обеспечивает плавное изменение потенциалов при регулировании яркости. Емкость С16 обеспечивает заземление катода трубки по переменному току, чем обеспечивается необходимое управление яркостью луча сигналами с усилителя Z. Выберем С15=С16=0,1 мкФ.

Мостовой делитель R39 - R43 служит для парафазного изменения потенциалов пластин X при смещении луча по горизонтали.

В справочных данных на ЭЛТ все напряжения на электродах трубки указываются относительно катода. В то же время подаваемые на отклоняющие пластины напряжения практически не превышают несколько десятков вольт относительно второго анода, напряжение которого обычно составляет несколько киловольт. Следовательно, если катод трубки заземлить, то на отклоняющие пластины необходимо подавать высокое относительно земли напряжение, что ведет к необходимости изолировать от земли усилители вертикального и горизонтального отклонений и значительно усложняет схему ЭЛО. Поэтому в ЭЛТ заземляют второй анод, а катод подключают к отрицательному полюсу источника питания. При этом напряжения на остальных электродах трубки не изменяются относительно катода, но оказываются иными относительно точки заземления, и отпадает необходимость изоляции усилителей отклонения относительно земли.

Таким образом, заземляем второй анод трубки, а для питания остальных электродов рассчитываем делитель напряжения R32 - R3, R36, R37.

Напряжение питания делителя должно быть больше необходимого напряжения на втором аноде U_а2 = 1,4 кВ. Пусть напряжение питания U₁ = -2 кВ. Выберем ток делителя заведомо больший, чем ток электронного пучка трубки. Пусть I_дел = 1 мА, рассчитаем общее сопротивление делителя:

 МОм (12.1)

Необходимо обеспечить напряжение на катоде - 1,4 кВ. Поэтому:

. (12.2)

Откуда кОм, тогда (12.3)

 кОм. (12.4)

Сопротивление R32 предназначено для регулировки яркости луча ЭЛТ. Напряжение на модуляторе должно изменяться в пределах (-38 ÷ -114) В. Сопротивление R32 обеспечивает запирание модулятора при отсутствии ЛИН. Принимаем падение напряжения на регулирующем сопротивлении U_R32=-80 В.

Тогда

 (12.5)

 кОм (12.6)

На R32 рассеивается мощность:

 Вт (12.7)

Выбираем в качестве R32 переменное сопротивление с номинальным значением 75 кОм и рассчитываем значение сопротивлений R33:

 кОм

Номинальное значение сопротивления резистора выбираем R33= 510кОм. Резистор должен рассеивать мощность  Вт.

Напряжение на первом аноде U_а1min=50 В. Тогда значение сопротивления R34:

 кОм (12.8)

Выбираем номинал сопротивления R34=51 кОм.

 кОм (12.9)

Выбираем переменное сопротивление R36=51 кОм.

Значение сопротивления R37=2000-51-51=1898кОм. Выбираем в качестве сопротивления R37 резистор номиналом 1,8 кОм.

Для питания третьего анода трубки требуется напряжение 3,7 кВ. Так как катод трубки находится под напряжением -1400 В, то для питания третьего анода необходимо использовать источник питания с напряжением 2,3 кВ.

Для расчета сопротивлений мостового делителя R39 - R43 необходимо знать напряжение источники питания U2 , которое можно найти, зная рабочую часть экрана по Х и чувствительность отклоняющих пластин Х1-Х2. Для данной: ЭЛТ размер экрана по X равен 60 мм, а чувствительность пластин 0,8 мм/В, тогда для смещения луча по горизонтали требуется напряжение:

 В (12.10)

Выбираем U2=75 В и расчет делителя ведем на одно плечо для среднего положения движка потенциометра R43.

Сопротивления R39, R40 предотвращают шунтирование делителем выходного усилителя канала X и выбираются в диапазоне 100÷1000 кОм. Зададимся номиналами R39=R40=1 МОм и током плеча делителя R_п=R41+0,5∙R43, равным 1 мА. Сопротивление плеча:

 кОм (12.11)

Напряжение на пластине X в среднем положении движка должно быть равно 35 В, т.е.

 ,

откуда находим R43=2R41 (12.12)

Тогда

 кОм,  кОм.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан блок горизонтального отклонения луча осциллографа для ЭЛТ 8ЛО4И. При проектировании были использованы как отечественные, так и импортные компоненты.

Разработанный блок может работать в режимах внешней и внутренней синхронизации, ждущей и непрерывной развертки. Предусмотрена возможность регулировки полярности и уровня синхронизации, яркости изображения ЭЛТ, смещения изображения по горизонтали. Благодаря наличию калибратора и плавной регулировки длительности развертки, обеспечена возможность калибровки горизонтальной развертки.

Также необходимо предусмотреть линию задержки в канале Y, значение которой складывается из следующих величин:

время срабатывания компаратора (7 нс);

время переключения ОУ в схеме управления (0,007 нс);

время задержки выключения и время выключения ключа в схеме ГЛИН (250 нс, 210 нс соответственно).

В итоге получаем, суммарное время задержки канала Х 467 нс.

Спроектированный БГО полностью удовлетворяет требованиям ТЗ.

Библиографический список

1.     Слесарев А. И. Блок горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа: учебно-методическое пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, 74 с.

2.      Богданович М. И., Грель И. Н., Прохоренко В. А., Шалимо В. В. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. Минск. 1991. - 492 с.: ил.

.        Усилительные устройства приборов контроля. Конспект лекций. / В.С. Кортов, С.В. Никифоров. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003.

4.     Петровский И. И.,Прибыльский А. В., Троян А. А., Чувелев В. С. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. М: Бином, 1993. - 496 с.: ил.

5.      Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. - 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 320 с.: ил.

6.     Сайт www.analog.com

7.      Сайт www.inf.com

.        Сайт www.promelec.ru

9.     Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Радио и связь. 1992. - 336 с.

Приложение 1

Характеристики используемых элементов

Основные параметры счетчика КР1533ИЕ5

Основные параметры счетчика КР1533ИЕ2

Основные параметры дешифратора 155ИД10

Основные параметры микросхемы К555ЛИ1

Основные параметры микросхемы К555ЛИ3

Основные параметры мультиплексора КР1533КП7

Основные параметры счетчика КР1554ИЕ23

Основные параметры ЦАП AD9708

Основные параметры микросхемы К555ЛИ6

Основные параметры RS-триггера 138ТР1

Основные параметры ОУ AD811J

Напряжение питания, В ±5

Верхняя граничная частота, МГц 100

Входное напряжение смещения нулевого уровня, мВ 0.5

Температурный дрейф напряжения смещения нулевого уровня, мкВ/°С 5

Диапазон входных напряжений, В ±3

Диапазон выходных напряжений, В ±2.9

Выходной ток, мА 100

Входные токи, мкА

инвертирующий вход 2

неинвертирующий вход 2

Уровень входного шума по напряжению (f=1 кГц), нВ/ÖГц 1.9

Уровень входного шума по току (f=1 кГц), пА/ÖГц 20

Выходное сопротивление, Ом 9

инвертирующий вход, Ом 14

неинвертирующий вход, МОм 1.5

Входная емкость неинвертирующего входа, пФ 7.5

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс 400

Диапазон рабочих температур, °С 0…+70

Основные параметры компаратора AD8561

Напряжение питания, В ±5

Входное напряжение смещения нулевого уровня, мВ 1

Температурный дрейф напряжения смещения нулевого уровня, мкВ/°С 4

Диапазон входных напряжений, В -5…+3

Выходное напряжение, В

для логической единицы "1" 3.5

для логического нуля "0" 0.2

Ток смещения, мкА -3

Ток сдвига, мкА ±4

Выходной ток, мА 3.2

Входная емкость, пФ 3

Время переключения, нс 7

Диапазон рабочих температур, °С -40…+85

Основные параметры ОУ AD8055ART

Напряжение питания, В ±5

Верхняя граничная частота при K₀=2 и R_ос=402 Ом, МГц 40

Входное напряжение смещения нулевого уровня, мВ 3

Температурный дрейф напряжения смещения нулевого уровня, мкВ/°С 6

Диапазон входных напряжений, В ±3.2

Диапазон выходных напряжений, В ±3.1

Ток смещения, мкА 0.4

Выходной ток, мА 60

Уровень входного шума по напряжению (f=100 кГц), нВ/ÖГц 6

Уровень входного шума по току (f=100 кГц), пА/ÖГц 1

Входное сопротивление, МОм 10

Входная емкость, пФ 2

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс:

при K₀=1 и R_ос=402 Ом 1400

при K₀=2 и R_ос=402 Ом 840

Диапазон рабочих температур, °С -40…+80

Основные параметры транзистора IRF5801напряжения сток-исток, В 200ток стока непрерывный, А 0,6ток стока импульсный, А 4,8

Минимальное напряжение пробоя сток-исток, В 200

мощность рассеивания Pd, Вт 2энергия одиночного импульса, МДж 9,9напряжение затвор исток, В 4обратный ток затвор-исток, мкА 100обратный ток сток-исток , нА 25

Время включения, нс 8

Время задержки включения, нс 6,5

Время выключения, нс 19

Время задержки выключения, нс 8,8

Основные параметры транзистора BF587

Электрические параметры:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ 50

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц 70

Емкость коллекторного перехода, пФ 2,5

Максимально допустимые параметры:

Постоянный ток коллектора, мА 50

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, В 400

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе, Вт 5

Основные параметры светодиода АЛ307Б

Обратное напряжение макс., В 2

Прямое напряжение макс., В 2

Постоянный прямой ток макс, мА 20

Импульсный прямой ток макс, мА 100

Время восстановления, мкс 10

Цвет свечения кр.

Основные параметры диода КД521А

Максимальное прямое напряжение, В 0.68

Максимальное обратное напряжение, В 30

Максимальный прямой ток, мА 500

Емкость p-n перехода при U_обр=0, пФ 2.25

Основные параметры диода MBR0520LT1

Максимальное прямое напряжение, В 0.38

Максимальное обратное напряжение,В 20

Максимальный прямой ток, мА 500

Основные параметры BZX84C

Напряжение стабилизации, В 2.5…2.9

Ток стабилизации, мА 2

Максимальное дифференциальное сопротивлен ие, Ом 100

Максимальная рассеиваемая мощность, мВт 350

Диапазон температурного коэффициента изменения напряжения, %/K -0.065

Приложение 2

Перечень элементов