Генератор звуковых частот

Генератор звуковых частот

Введение

Электроника представляет собой бурно развивающуюся область науки и техники. Она изучает принципы устройства, работы и применения различных электронных приборов. Применение электронных устройств позволяет проводить разнообразные исследования и измерения, в частности такие, которые сами не имеют ничего общего с электроникой. Электронные усилители, генераторы, выпрямители, осциллографы, измерительные приборы и другие устройства стали мощными средствами для научных исследований, автоматизации и контроля производственных процессов.

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей: усилители низкой частоты (УНЧ), широкополосные усилители, избирательные усилители.

Генераторы гармонических колебаний - устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.

И множество еще устройств уже существует которые работаю с сигналами с различными частотами, за которыми необходимо измерительное устройство, которое будет анализировать эти частоты.

Аналитический обзор

Измери́тельный генера́тор (генератор сигналов, от лат. <#"801338.files/image001.gif">- по напряжению

~ - на переменном токе

 = - по току

kp = ki

 [относительные единицы; дб]

. Rвх =  - входное сопротивление УЭ по переменному току

3.      Rвых =  - эквивалентное выходное сопротивление

Характеристики усилителей

ku’ =

В общем случае коэффициент усиления зависит как от амплитуды сигнала, так и от частоты и описывается комплексной функцией.

’(w) = mod ku’Þ (модуль)

Þ АЧХ - зависимость коэффициента усиления от частоты

j(w) = arg ku’Þ (аргумент)

Þ ФЧХ - зависимость сдвига фазы выходного сигнала от частоты

д АЧХ определяет и вид ФЧХ и наоборот.

АЧХ усилителей и их ФЧХ

У реального усилителя k зависит от частот, в пределах которых k » const = k0 - называется областью средних частот - рабочая полоса частот.

Dw = wв - wн - полоса пропускания усилителя;

wн - нижняя частота полосы пропускания;

wв - верхняя частота полосы пропускания.

< w < wн Þ область нижних частот

 = k(w) = var

w > wв Þ область высоких частот

 = k(w) = var

Спад усиления на ВЧ и НЧ обусловлен наличием реактивных элементов в усилителе и конечным быстродействием усилительного элемента.

В зависимости от АЧХ усилители делятся на:

1.       если Dw << w0, где w0 - центральная частота усиления, то это узкополосный (резонансный) усилитель.

2.      Dw >> w0 - широкополосный усилитель (ШПУ) (видеоусилитель)

.        Dw » w0 - полосовой усилитель.

По частоте:

1.      УНЧ - усилители низких частот (10Гц - 40 (100)кГц)

2.      УПЧ - усилители промежуточных частот (£1 МГц)

.        УВЧ - усилители высоких частот (1-100 МГц)

.        СВЧ - сверхвысокочастотные усилители (<1 ГГц)

.        ОВЧ - особовысокочастотные усилители (>1 ГГц до 20 ГГц)

ФЧХ

У реального усилителя на НЧ и ВЧ выходной сигнал приобретает дополнительный сдвиг фазы, обусловленный наличием реактивных элементов. На НЧ это элементы связи, блокирующие и фильтрующие конденсаторы. Их влияние носит дифференцирующий характер (Dj > 0). На ВЧ влияет емкость нагрузки, монтажа, быстродействие АЭ. Их влияние носит интегрирующий характер (Dj < 0). В рабочей полосе частот Dj » const. Зависимость k(w) и j(w) для сложного входного сигнала приводит к его линейным искажениям (частотным).

Dw - рабочая полоса частот, в пределах которой амплитудные искажения Dk < ± 3 дб, а фазовые искажения Dj < ± p/4.

Влияние ОС на коэффициент усиления

Кос =  - коэффициент усиления с ОС

К =  - собственный коэффициент усиления без ОС

b =  - коэффициент передачи по цепи ОС

Uвых - Uoc = U0

Uoc = b* Uвыхвх = U0 + b*k* U0

koc =

koc =

«+» - ООС

«-» - ПОС

ООС уменьшает усиление усилителя

1+bk - глубина обратной связи

bk - петлевое усиление - это коэффициент передачи по цепи усилитель - цепь - ОС

b £ 1.

Влияние ООС на нелинейные искажения усилителя

Книос =

Кни - коэффициент нелинейных искажений

ООС уменьшает нелинейных искажений усилителя

НИ можно рассматривать как нестабильность k в зависимости от величины Uвх.

ООС стабилизирует k независимо от причин, вызывающих его изменение Þ имеет место и стабилизация k при изменении Uвх, т. е. уменьшение НИ.

НИ - это появление дополнительных гормоник внутри самого усилителя.

При наличии ООС гармоники, пройдя цепь ОС, вычитаются на входе Þ уменьшается их величина Þ уменьшается Кни.

Влияние ООС на АЧХ

wнос =

wвос = wв(1+bk)

ООС расширяет Dw (полосу пропускания усилителя) на глубину ОС.

Зависимость k от w можно рассматривать как нестабильность k от частоты. Т. к. ООС стабилизирует k Þ стабилизация k и при изменении w, т. е. в более широкой полосе частот.

При наличии ООС сигнал ОС вычитается из входного.

На НЧ и ВЧ bk уменьшается Þ вычитается меньший сигнал, чем в середине диапазона Uвых @ const поддерживается в более широкой полосе частот.

Входное и выходное напряжения

Влияние ООС на Rвх

Рис. 1 послед. ОС по U:

вхос =  - входное сопротивление с ОС

Rвх =

Uвх = U0(1+bk)

Rвхос = Rвх(1+bk)

Последовательная ОС независимо от того, какая она (по напряжению или по току) увеличивает Rвх усиления.

Параллельная ОС:

вхос =

Параллельная ОС независимо от того, какая она, уменьшает Rвх.

Влияние ООС на Rвых

1.  По U

Rвыхос =

ООС по U стабилизирует Uвых независимо от причин, вызывающих его изменение Þ со стороны выхода усилитель приближается к источнику напряжения (идеальный источник напряжения или нулевое сопротивление). Это справедливо для любого вида связи по входу.

2.  По I

Rвыхос = Rвых(1+ bk)

ООС по I увеличивает Rвых независимо от вида связи по входу (послед. и парал.)

ООС по I стабилизирует ток на выходе независимо от причин Þ со стороны выхода усилитель приближает к источнику тока (идеальный источник тока, имеющий бесконечное сопротивление).

ПОС по отношению к ООС действует противоположным образом.

Амплитудная характеристика

Uвых = f(Uвх)w=const

1 - область внутренних шумов усилителя. Даже при отсутствии входного сигнала на выходе присутствует хаотический шумовой сигнал. Шумы обусловлены температурными шумами элементов (тепловой шум), дискретной природой электричества (квантовый), избыточными шумами АЭ. Внутренние шумы ограничивают возможность усиления слабых сигналов снизу. Для уменьшения тепловых шумов активные элементы охлаждают (жидким гелием, азотом).

- область линейного усиления. Uвх = kuUвх, tga Þ ku

- область ограничения выходного сигнала (нелинейных искажений выходного сигнала). Ограничение обусловлено либо мощностью источника питания, либо нелинейностью ВАХ активного элемента.

D = - это есть динамический диапазон усиления - возможность усилителя усиливать как слабые, так и сильные сигналы.

Нелинейные искажения

Это искажения формы входного сигнала.

(t) = U0 +

Так любой сигнал может быть представлен.

Нелинейные искажения - это изменение спектрального состава сигнала (появление дополнительных гармоник, отсутствующих на входе).

ни - коэффициент нелинейных искажений

генератор частота усилитель напряжение

kни =

Pi - мощность гормоник выходного сигнала

P1 - основная частота (горм.).

Нелинейные искажения в усилителе уменьшаются выбором рабочего режима с наибольшим линейным усилением, использованием высококачественных элементов, использованием обратных связей.

Выбор ёмкостей

Для того чтобы ёмкости не влияли в полосе частот необходимо, чтобы их реактивное сопротивление xc = 1/2pfc было мало.

1 = 1/2pfнc1 >> Rвх (много меньше, в 3-10 раз)

xc2 = 1/2pfнc2 >> Rн (в 3-10 раз)

xcэ = 1/2pfнcэ >> Rэ (в 3-10 раз)

При работе на низкоомную нагрузку и низких частотах С2 должно быть достаточно большой, порядка 1000мФ. Эта универсальная схема может быть использована без изменения элементов в схему усилителя ОК. В этом случае Rк закорачивается, а сигнал снимается через Сэ, либо в схему ОБ. В этом случае С1 заземляется, сигнал подается через Сэ и снимается через С2. Стабилизация режима работы с помощью Rэ.

При возрастании температуры возрастает Iбо, это приводит к возрастанию iко = biбо = iэо - возрастает Þ возрастает Uэо = iэо*Rэ Þ Uбэо = Uбо - Uэо Þ Uбэ уменьшается Þ iбо - уменьшается. Имеет место компесация за счет последовательной ООС по току.

Rэ включают последовательно с бэ.

Расчёт коэффициента усиления по мощности kP усилителя

Для расчёта коэффициента усиления по мощности kP, воспользуемся следующей формулой:

где ki - коэффициент усиления по току усилителя;

ku - коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Переведём получившееся значение в дБ(децибелы) по следующей формуле:

где kp - коэффициент усиления по мощности усилителя, раз(ы).

Обоснование выбора всех типов и номиналов элементов

В качестве разделительных конденсаторов обычно применяют малогабаритные электролитические конденсаторы.

В качестве резисторов для данной схемы используем резисторы типа МЛТ(металлизированные лакированные тепло-стойкие). Они предназначены для измерительной и другой техники.

Найденные значения данных резисторов сначала приведём к стандартным значениям из ряда E24(допускаемое отклонение для данного ряда составляет ±5%).

Заключение

В ходе курсового проектирования мной была разработана схема генератора качающееся частоты для высокой частоты. Генератор качающейся частоты представляет собой генератор Звуковых частоты с устройством, позволяющим плавно изменять частоту выходных колебаний в заданном диапазоне частот. Подача таких колебаний на вход контролируемого усилителя будет равноценна ручной перестановке частоты генератора. Поэтому амплитуду выходного сигнала будет изменяться в зависимости от частоты входного данный момент. А значит на экране осциллографа, подключенного к нагрузке входного каскада, можно наблюдать огибающих АЧХ составленную колебаний разностной частоты.