Генераторы электрических сигналов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

"ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Физический факультет

Направление:222900.62 - Нанотехнологии и микросистемная техника

Курсовая работа по дисциплине "Радиотехника"

на тему: "Генераторы электрических сигналов"

Выполнили: студенты

физического факультета

Зверев Дмитрий Алексеевич

Ревин Илья Дмитриевич

Иваново 2014

Оглавление

Введение

. Генераторы синусоидальных колебаний

.1 Генераторы синусоидальных колебаний

.1.1 LC-генераторы

.1.2 Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты

.1.3 RC - генераторы

. Генератор прямоугольных импульсов

.1 Функциональная схема устройства

.2 Описание работы схемы

.3 Расчет схемы

.4 Принципиальная схема

.5 Выбор элементов схемы

.6 Расчет соответствия предельных параметров эксплуатации ОУ выбранному режиму работы схемы

.7 Составление схем замещения

. Генератор-линейно изменяющегося напряжения

.1 Теоритическая часть

.2 Техническое задание

.3 Структурная схема генератора пилообразного напряжения

.4 Выбор принципиальной схемы генератора линейно-изменяющегося напряжения

.5 Расчет принципиальной схемы генератора линейно - изменяющегося напряжения

. Генератор шума

.1 Теоретическая часть

.2 Выбор и обоснование структуры изделия

.3 Особенности работы и управление изделием

.4 Расчетная часть

.4.1 Расчет на надежность

.4.2 Расчет на тепловое воздействие

Тезаурус

Заключение

Список литературы

Введение

Генератор сигналов - это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики ит.д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).

В XXI веке практически любое современное устройство предполагает в себе наличие такого функционального элемента как генератор гармонических или каких-либо других колебаний.

Генераторы электрических сигналов составляют довольно многочисленную группу устройств, входящих в состав медицинских приборов и аппаратов. Прежде всего, это генераторы стимулирующих сигналов для различных типов электрофизиологической аппаратуры, воздействующей на биологические объекты колебаниями различной формы и интенсивности. Кроме того, генераторы используются для обеспечения работы и создания требуемых режимов функционирования различных электронных схем медицинской аппаратуры.

1. Генераторы синусоидальных колебаний

.1 Генераторы синусоидальных колебаний

Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью (рис.1.1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения, передаваемого звеном обратной связи

Рис. 1.1 - Структурная схема генератора

Для возбуждения колебаний в системе рис.1.1 необходимо выполнение двух условий. Первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем () и звеном обратной связи (), в сумме должны быть кратными:

Второе условие, необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд , которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью:

При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.

1.1.1 LC-генераторы

На рис.1.2 показана схема LC-генератора c трансформаторной связью, которая представляет собой усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером. В качестве коллекторной нагрузки используется резонансный LC-контур с высокой добротностью.

Рисунок 1.2 - Схема генератора с трансформаторной связью

Сигнал обратной связи снимается со вторичной обмотки резонансного контура и через разделительный конденсатор Ср подается на базу транзистора обеспечивая суммарный фазовый сдвиг равный (баланс фаз). Если принять индуктивную связь между первичной (w1) и вторичной (w2) обмотками идеальной, для обеспечения баланса амплитуд необходимо выполнить условие:

Где β - коэффициент усиления по току транзистора, число витков первичной и вторичной обмоток, соответственно. Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура:

На рис.1.3 представлена часто используемая схема генератора Колпитца, выполненная на полевом транзисторе. Параллельный LC- контур установлен на входе и с выхода на вход через конденсатор Сос подается сигнал обратной связи. Частота синусоидальных колебаний напряжения на выходе генератора, как и в предыдущей схеме, обусловлена параметрами LC-контура.

Рисунок 1.3- Генератор Колпитца

Одним из важнейших параметров любого генератора является коэффициент нестабильности частоты генерируемых колебаний

Где  - абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. За счет колебаний температуры и напряжения источника питания коэффициент нестабильности транзисторных LC-генераторов не превышает десятых долей процента.

1.1.2 Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты

Существенное уменьшение нестабильности генераторов может быть достигнуто за счет использования кварцевого резонатора, который представляют собой особым образом вырезанную и отшлифованную пластину натурального или искусственного кварца. Кварц - пьезоэлектрик, поэтому упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания, в свою очередь, генерируют напряжение на гранях кристалла. В этом случае кристалл ведет себя как RLC-элемент, эквивалентная схема которого приведена на рис.1.4.

Рисунок 1.4 - Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора

Два конденсатора эквивалентной схемы дают пару близко расположенных резонансных частот - последовательного и параллельного контура, отличающихся друг от друга не более чем на 1%. В целом кварцевый резонатор ведет себя как резонансный контур с высокой добротностью (около 10000) и высокой стабильностью параметров. При включении резонатора в положительную обратную связь и выполнении условия баланса амплитуд на резонансной частоте возникают автоколебания.

Рисунок 1.5 - Генератор Пирса

На рис.1.5 представлен генератор синусоидальных колебаний на полевом транзисторе, который известен как генератор Пирса. За счет кварцевого резонатора фаза выходного сигнала изменяется на 1800, т.е. суммарный сдвиг фазы по отношению к сигналу на затворе достигает, что приводит к возникновению колебаний на резонансной частоте кварца. Другая схема (рис.1.6) представляет собой аналог генератора Колпитца (рис.1.3), в котором LC - контур заменен кварцевым резонатором. Наличие кварцевого резонатора обеспечивает коэффициент нестабильности генератора не выше 10-6 в диапазоне температур от 0 до 50^оС.

Рисунок 1.6 - Кварцевый генератор Колпитца

Генераторы, аналогичные рассмотренным, целесообразно использовать на высоких частотах. Это связано с тем, что по мере снижения частоты генерации габаритные размеры LC- контура недопустимо возрастают. Изготовление кварцевых резонаторов на частоты ниже нескольких десятков килогерц также связано со значительными технологическими трудностями.

1.1.3 RC - генераторы

В генераторах этого типа баланс фаз достигается за счет специальной фазосдвигающей RC - цепи, устанавливаемой в цепи обратной связи. Схема простейшего RС-генератора на транзисторе приведена на рис.1.7.Трехзвенная RC-цепь на частоте квазирезонанса обеспечивает сдвиг фазы, равный 1800. Схема с общим эмиттером, на которой собран генератор, изменяет фазу сигнала на выходе по отношению ко входному также на 1800, т.е. суммарный фазовый сдвиг равен, за счет чего выполняется условие баланса фаз. При условии С1=С2=С3=С и R3=R4=Rвх_VT= R коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи равен примерно 1/29, поэтому, если коэффициент усиления транзисторного каскада К_U< 29 , в схеме возникают колебания с частотой

Рисунок 1.7 - RC-генератор на транзисторе

Не смотря на простоту схемы данный генератор находит ограниченное применение в практических устройствах. Это связано с тем, что коэффициент нелинейных искажение выходного напряжения может достигать 10% а стабильность частоты недостаточна. Следует отметить, что в схеме рис.1.7 можно в некоторых пределах изменять частоту генерации. Для этого последовательно с резистором R3 устанавливают переменное сопротивление.

Рисунок 1.8 - RC-генератор с мостом Вина

Наиболее часто для построения RC-генераторов используется мост Вина, который не имеет фазового сдвига на частоте квазирезонанса, а коэффициент передачи на этой частоте равен 1/3. На рис.1.8 приведена генератора синусоидальных колебаний на основе моста Вина. Он представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления (1+R1/R2), на неинвертирующий вход которого подается сигнал с моста Вина. Так как фазовый сдвиг моста Вина равен нулю, в схеме обеспечивается баланс фаз. Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления неинвертирующего усилителя должен быть К>3. Выполнение этого условия приводит к возникновению автоколебаний в схеме на частоте

Особенностью данного генератора является необходимость достаточно точно поддерживать величину коэффициента усиления усилителя. При уменьшении коэффициента усиления колебания затухают, при увеличении - амплитуда выходного напряжения начинает возрастать, вплоть до насыщения выходных каскадов усилителя, что приводит к искажению формы выходного сигнала. Для поддержания синусоидальной формы выходного напряжения в схеме рис.1.8 предусмотрена цепь автоматической регулировки усиления (АРУ). Активным элементом АРУ является полевой транзистор, включенный параллельно резистору R2.

Транзистор работает в режиме регулируемого резистора. На затвор транзистора подается выпрямленное и сглаженное напряжение с выхода генератора. При увеличении выходного напряжения транзистор подзапирается, его сопротивление "сток-исток" возрастает, шунтирующее действие транзистора уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя, а значит и к восстановлению исходного значения амплитуды сигнала на выходе генератора. Уменьшение амплитуды выходного напряжения оказывает обратное действие. 

Наличие глубокой отрицательной связи в схеме обеспечивает высокую стабильность усилительного звена в RC-генераторе. Поэтому температурная нестабильность частоты генераторов определяется, в основном, зависимостью от температуры параметров элементов RC-звена обратной связи. Поэтому в практических схемах данного вида можно получить значение коэффициента нестабильности на уровне. Во многих случаях при практическом применении RC- генераторов синусоидальных колебаний возникает задача регулировки частоты. При построении генераторов с регулируемой частотой следует учитывать то факт, что изменение хотя бы одного из частотозадающих элементов изменяет условие возникновения генерации, что может привести к срыву колебаний. В силу этого в схеме рис.1.7 регулировка частоты связана с определенными трудностями, так как при изменении величины резистора R3 требуется корректировка коэффициента усиления транзисторного усилителя.

Однако изменение сопротивления R1 изменяет входное сопротивление транзисторного каскада, а изменение коллекторной нагрузки R2 может привести к изменению параметров рабочей точки транзистора и его переходу в нелинейный режим работы. Это ограничивает практическое использование генератора рис.1.7 в схемах с регулируемой частотой. В генераторе на основе моста Вина условие устойчивой генерации заключается в том, чтобы коэффициент усиления сигнала по цепям положительной и отрицательной обратной связи был равен единице на любой частоте. Поэтому при изменении частоты колебаний выходного напряжения в генераторах необходимо использовать сдвоенный потенциометр (или конденсатор). Однако использование сдвоенных регулирующих элементов имеет определенные неудобства. В схеме рис.1.9 потенциометр R2 является одним из элементов моста Вина, и его регулировка изменяет частоту генерации в соответствии с выражением

Одновременно R2 является входным резистором инвертирующего усилителя на DA1, который формирует сигнал отрицательной обратной связи Uа на вход операционного усилителя DA2. Например, при уменьшении R2 увеличивается частота колебаний и одновременно уменьшается сигнал положительной обратной связи Uв на неинвертирующем входе DA2.

Рисунок 1.9 - Схема регулировки частоты генератора

Однако уменьшение R2 приводит к увеличению коэффициента усиления DA1 (K= - R1 / R2), а значит и к увеличению сигнала отрицательной обратной связи Uа, т.е. суммарное усиление по цепям положительной и отрицательной обратной связи остается равным единице при всех изменениях сопротивления R2. Cтабилитрон VD играет роль АРУ, обеспечивая неизменную амплитуду Uвых при изменении частоты в пределах декады.

2. Генератор прямоугольных импульсов

Задание на расчет

Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видом характеристики типа "меандр". Амплитуда сигнала стандартная для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100 Гц; 1 000 Гц; 10 000 Гц. Ток нагрузки 10мА.

2.1 Функциональная схема устройства

При построении ГПИ за основу взята схема симметричного мультивибратора, реализованная на интегральном операционном усилителе (ОУ). Функциональная схема ГПИ приведена на рисунке 2.1

Принципиальная схема мультивибратора приведена на рисунке 2.2

Период переключений такого мультивибратора определяется постоянной времени t интегрирующей RC-цепи, глубиной положительной обратной связи, входными и выходными сопротивлениями усилителя, его полосой пропускания и коэффициентом усиления. Если допустить, что вышеперечисленные параметры ОУ, такие как входное сопротивление, выходное сопротивление, коэффициент усиления (без обратной связи) и полоса пропускания приближаются к следующим величинам

 R_вых ®¥;  и ,

то для принципиальной схемы рисунок 1.2

причем для получения прямоугольных импульсов необходимо, чтобы глубина положительной обратной связи b удовлетворяла условию

 (2)

при выполнении которого переключение ОУ происходит лавинообразно за доли-единицы микросекунды.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема устройства.

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема мультивибратора.

2.2 Описание работы схемы

При включении питания напряжение на выходе усилителя вследствие неидеальной балансировки отличается от нуля. Это напряжение (например, положительное) с выхода усилителя через цепь положительной обратной связи (ПОС), образованной резисторами R1 и R2 подается на неинвертирующий вход ОУ, усиливается им, снова подается на вход и т.д., пока усилитель не переключится в состояние насыщения и напряжение на его выходе не станет максимально возможным. К инвертирующему входу ОУ подключен конденсатор С, напряжение на котором в начальный момент равно нулю. После переключения конденсатор начинает заряжаться через сопротивление R, подключенное к выходу ОУ и напряжение на нем начинает возрастать.

,

где U_нас - напряжение насыщения усилителя, близкое к напряжению питания.

На инвертирующем и неинвертирующем входах действуют положительные напряжения - постоянное U_пос и изменяющееся U_с (t) и выходное напряжение определяется как

_вых (t) = К_{о [}U_пос - U_с (t)],

где К_о ³ 10³¸ 10⁶ - коэффициент усиления.

Это напряжение постоянно и равно U_нас до тех пор, пока разность входных напряжений положительна. Как только напряжения сравняются: U_пос = U_с (t), напряжение на выходе мгновенно становится равным нулю, что влечет за собой и равенство нулю напряжения обратной связи U_пос = 0. Но напряжение на конденсаторе остается и не может мгновенно изменится, поэтому выходное напряжение, равное усиленному напряжению на инвертирующем входе, становится отрицательным и равным напряжению насыщения:

_вых = - К_о U_с (t) = - U_нас.

При этом напряжение положительной обратной связи U_пос также становится отрицательным. Отрицательное напряжение с выхода через резистор R подается на конденсатор С, ранее заряженный положительно, и начинает его перезаряжать. Процесс перезарядки длится до тех пор, пока напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах не сравняются, вследствие чего в схеме снова происходит переключение.

Для получения в нагрузке импульсов напряжения только положительного уровня на выходе усилителя подключен диод.

2.3 Расчет схемы

Параметры элементов схемы, обеспечивающей заданные частоты импульсов на выходе мультивибратора рассчитаем для принципиальной схемы рисунок 1.2

Из условия (2) следует, что R1 » 10R2. Примем R1 = 12 000 Ом и R2 = 1 500 Ом, тогда

из (1) выражение под логарифмом будет

Подставив найденное значение в (1) получим следующую зависимость периода T от параметров времязадающей RC цепи.  (6)

Для заданных частот выберем общий конденсатор такой емкостью чтобы наименьшее сопротивление резистора R (для наивысшей заданной частоты) обеспечивало облегченный режим работы ОУ по току нагрузки, например 1 мА. Сопротивление резистора будет R= 5 /1*10^-3 = 5000 Ом

Напряжение 5 В соответствует моменту переключения ОУ и является суммой выходного напряжении ОУ 2,5 В и заряженного конденсатора -2,5 В.

При выбранном сопротивлении проведем расчет емкости для частоты 10 000 Гц по (6)

С = T/0,446R = 4,48*10^-8Ф

Тогда для частоты 1000 Гц, также по (6) получим R’= 1/ (0,446*1000*4,48*10^-8) = 50 кОм

и для частоты 100 Гц R" = 1/ (0,446*100*4,48*10^-8) = 500 кОм

Выбрали значение емкости из стандартного ряда, С = 4500 пФ, и провели пересчет значений сопротивлений для получения заданных частот

R = 4 982 Ом; R’= 49 825 Ом; R" = 498 256 Ом.

2.4 Принципиальная схема

Составим принципиальную схему устройства, где для устранения разброса параметров элементов схемы включим подстроечные резисторы, а вычисленные значения сопротивлений получим путем параллельного подключения резисторов к R”.

Из стандартного ряда выбрали следующие номиналы резисторов для принципиальной схемы R3 = 510 кОм; R4 = 47 кОм и R5 = 4,5 кОм.

Подстроечные резисторы выберем с учетом превышения вычисленных значений сопротивлений и включим последовательно с R3, R4, R5. Так R6 = 50 кОм; R7 = 4,7 кОм и R8 = 1 кОм.

2.5 Выбор элементов схемы

В качестве ОУ выберем микросхему К140УД14, для которой напряжение питания можно выбирать в диапазоне ± 5-20 В. Это позволяет при выборе U_пит ±5В получить на выходе ГПИ положительные импульсы уровня ТТЛ т.е. U¹ = 2,4В. Технические характеристики ОУ приведены в таблице 1

Таблица 1 - Технические характеристики ОУ.

Конденсатор выберем типа К21-9 (стеклокерамический) с ТКЕ группы МП0 т.е. с емкостью независящей от температуры.

Сопротивления возьмем типа МЛТ с номинальной мощностью 0,125 Вт. Подстроечные типа СП3 - 38 также номинальной мощностью 0,125 Вт. Максимальный ток пропускаемый резисторами

I_max= P_ном/U_max= 0,125/3,2 = 39 мА

позволяет применять резисторы выбранной номинальной мощности в схеме.

Подключение нагрузки, произведем последовательно с диодом типа Д9Б, рассчитанным на ток (прямой, постоянный) 40мА, для получения на выходе только положительных импульсов.

Для выбора частоты генератора ключи SА1 и SА2 выполнили на клавишном переключателе типа П 2 КЛ с 2-я клавишами.

2.6 Расчет соответствия предельных параметров эксплуатации ОУ выбранному режиму работы схемы

Максимальное входное дифференциальное напряжение присутствует на входе ОУ во время перезарядки конденсатора, когда напряжение на неинвертирующем входе суммируется с напряжением обратной полярности н-а конденсаторе подключенном к инвертирующему входу и величина этого напряжения равна удвоенному значению на неинвертирующем входе

Максимальный ток на выходе ОУ является суммой токов нагрузки I_н=10 мА, ПОС

I_пос=  = 0,23 мА

и тока RC цепи. Максимальный ток RC протекает в момент переключения схемы т.е. когда происходит перезарядка конденсатора с уровня U_{c. max}=U_пос=U_вых*b = 0,35В выходным напряжением ОС обратной полярности 3,2В через минимальное сопротивление RC цепи.

После суммирования токов, нагружающих выход ОУ получим

I_{вых. макс} = 10 + 0,23 + 0,71 = 10,94 мА

После проведенных расчетов следует, что в схеме можно применить ОУ К 140 УД 14 параметры которой превышают максимально возможные режимы работы схемы.

Макс. входное диф. напряжение, ± В = 13 > 0,74,Максимальный выходной ток, мА = 12 > 10,94.

.7 Составление схем замещения

При составлении схем замещения необходимо знать значение сопротивления, которое дают в сумме резисторы R3 - R8. Воспользовавшись правилами сложения последовательно и параллельно подключенных сопротивлений, получили R_экв = 4929 Ом. Следовательно, на месте входного сопротивления ОУ будет разрыв, т.к. оно на порядок превышает R_экв, а выходное сопротивление остается, т.к. оно соизмеримо с R1 и R2.

Рисунок 2.3 - Схема замещения при положительном напряжении на выходе.

Рисунок 2.4 - Схема замещения при отрицательном напряжении на выходе.

Таким образом был разработан генератор меандра с уровнями ТТЛ со ступенчатой установкой частоты от 100 до 10 000 Гц и током нагрузки 50 мА, что полностью соответствует заданию на проектирование.

импульс генератор резистор

3. Генератор линейно-изменяющегося напряжения

.1 Теоретическая часть

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения называют иногда генераторами развёртки, хотя этот термин не отражает их гораздо более широкого применения. Из области разверток заимствованы названия двух основных частей пилообразного импульса: прямой ход (главный, почти линейный участок t _п ) и обратный ход (сравнительно короткий участок t _о, форма которого обычно несущественна).

Пилообразное напряжение - это такое напряжение, которое нарастает или спадает линейно в течение некоторого отрезка времени, называемого временем рабочего хода t_о достигает первоначального значения. Такое напряжение используется устройствах сравнения, для горизонтальной развёртки электронного луча в электронно-лучевой трубке в других устройствах. Возврат луча в исходное положение должен происходить, возможно, быстрее, вследствие чего спадающий участок пилообразного напряжения должен иметь большую крутизну и малую продолжительность.

Пилообразные импульсы можно получить с помощью любого релаксатора: мультивибратора, одно вибратора или блокинг-генератора. Поэтому генераторы пилообразного напряжения составляют особый класс импульсных устройств и заслуживают специального рассмотрения.

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения являются широко известными устройствами импульсной техники.

Импульсы напряжения пилообразной формы могут быть как положительной, так и отрицательной полярности. На рисунке 3.1 показана реальная форма пилообразного импульса положительной полярности.

Рис. 3.1 Форма пилообразного импульса положительной полярности

Под генераторами линейно-изменяющегося напряжения обычно понимают устройства, которые формируют импульс или последовательность импульсов, имеющих форму неравностороннего прямоугольника. При этом такая последовательность может не иметь паузу Тп между импульсами или иметь ее. Для того, чтобы подчеркнуть специфику генераторов данного класса, принято линейно-изменяющуюся часть импульса называть прямым ходом импульса Тпр (или рабочим ходом, стадией), короткую часть импульса - обратным ходом То импульса (или стадией восстановления), последняя соответствует возвращению генератора линейно-изменяющегося напряжения в исходное состояние.

Если во время прямого хода импульса напряжение возрастает по абсолютному значению, формирующее его устройство называют генератором линейно-растущего напряжения (ГЛРН), если спадает - генератором линейно-падающего напряжения (ГЛПН). В большинстве применений требования к линейности изменения напряжения отсутствуют. Амплитуда импульсов линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) Um определяется разностью напряжений в начале и в конце прямого хода импульса:

Um= |Uo-UTпр|.

По режиму работы ГЛИН подразделяются на ждущие с внешним запуском, определяющим длительность паузы или длительность прямого хода импульса (т.е. формирователи импульсов ЛИН), автоколебательные (в том числе синхронизированные) и ждущие с самовозбуждением, вырабатывающие импульс ЛИН заданной длительности в ответ на импульс запуска, длительность которого не определяет длительность и другие параметры ГЛИН.

По виду формируемого сигнала различают ГЛРН, ГЛПН, ГЛИН с отрицательным выходным напряжением, ГЛИН с положительным выходным напряжением, ГЛИН с противофазным выходным напряжением, ГЛИН с коррекцией формы выходного напряжения (до S-, N-образной и др.).

По функциональным возможностям различают ГЛИН, работающие на одной фиксированной частоте; перестраиваемые ГЛИН в ограниченном диапазоне по амплитуде и частоте с ручной регулировкой или с программным управлением; универсальные ГЛИН, как правило, с программным управлением формой ЛИН, амплитудой, частотой и скважностью в очень широких пределах.

Основные параметры ГЛИН:

1. Коэффициент нелинейности ε.

К высоколинейным и высокочастотным относят ГЛИН с ε<1% (измерительная техника), к ГЛИН средней линейности относят ГЛИН с ε=1-10% (телевидение) и к ГЛИН с низкой линейностью - все остальные.

2. Время восстановления Тв

Оно определяется временем возврата схемы ГЛИН в исходное состояние, т. е. временем окончания в схеме всех переходных процессов.

Для получения пилообразного напряжения используется процессы заряда и разряда конденсатора. Для получения периодической последовательности импульсов ЛИН требуется периодически заряжать конденсатор. При разомкнутом ключе конденсатор заряжается от источника постоянного тока. Замыкание ключа приводит к разрядке конденсатора, затем процесс повторяется. Наиболее простые ГЛИН выполняются на основе транзисторов. Высококачественные ГЛИН выполняются на основе операционных усилителей.

.2 Техническое задание

Спроектировать генератор линейно-изменяющегося напряжения со следующими параметрами:

·   время прямого хода t_р=50 мкс;

·   время обратного хода t_о =6 мкс;

·   амплитуда Umax= 10 В;

- коэффициент нелинейности e =0,2%

В результате расчетов определить параметры элементов схемы генератора.

.3 Структурная схема генератора пилообразного напряжения

Согласно заданию требуется спроектировать генератор пилообразного напряжения в ждущем режиме, управляемый входными импульсами. Такого рода выбор обусловлен возможностью такого генератора достаточно просто регулировать длительность рабочего хода и частоты следования выходных импульсов путем изменения параметров управляющего сигнала не затрагивая схему самого формирователя ЛИН.Согласно принципам построения генераторов пилообразного напряжения структурная схема должна состоять из следующих элементов:

—      токостабилизирующий элемент (ТСЭ), обеспечивающий постоянный во времени ток заряда конденсатора C.

—      конденсатор С, на котором формируется линейно изменяющиеся напряжение.

—      ключевое устройство (КУ), с помощью которого осуществляется переключение формирования прямого и обратного хода выходного напряжения.

—      формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий импульсные сигналы управления ключевым устройством (задающий длительность рабочего хода и частоту следования выходных импульсов пилообразного напряжения). В разрабатываемом устройстве этот элемент не входит в его состав.

Эмиттерный повторитель, согласующий большое сопротивление нагрузки ОУ с малым сопротивлением нагрузки генератора.

Рис. 3.2 Структурная схема пилообразного напряжения

3.4 Выбор принципиальной схемы генератора линейно-изменяющегося напряжения

Генератор пилообразного напряжения построим по схеме, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3.3 - схема электрическая принципиальная генератора пилообразного напряжения

Данная схема отличается тем, что в ней коэффициент нелинейности будет минимальным, так как стабилитрон VD1 фиксирует напряжение база-эмиттер транзистора VT4. В связи с этим ток коллектор-эмиттер транзистора VT4 будет постоянным.

.5 Расчет принципиальной схемы генератора линейно - изменяющегося напряжения

В качестве разделительного конденсатора С3 возьмем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-9-30В-10 мкФ.

В качестве элемента VT3 возьмем транзистор КТ3108Б p n p, ВЧ, со следующими параметрами:

b = 50 - 100;_кmax = 200 мА;_кбmax = 45 В;_кэmax = 45 В;_бэн = 0,6 В; _кбо = 0,2 мкА.

Рассчитаем конденсатор С4 в генераторе пилообразного напряжения.

Ток разряда конденсатора С4 равен:

;

Максимальный ток разряда конденсатора С4:

200 мА;

Емкость конденсатора С4:

;

мкФ.

В качестве С4 возьмем керамический монолитный конденсатор К10-47-50В-0,12 мкФ.

Ток заряда конденсатора С4 вычисляется по формуле:

;

=0,024 А.

Для того чтобы конденсатор C4 успевал разрядиться за время обратного хода t_oсопротивление транзистора VT3 должно быть равно:

;

=16,66 Ом.

Конденсатор С4 успеет разрядиться, так как транзистор VT3 во время разряда С4 находится в насыщенном состоянии, в котором сопротивление транзистора равно единицам ОМ.

Расчет резистора R5 осуществляется следующим образом:

;

Ток I_R5 протекающий через резистор R5:

8 мА.

Из формулы (5) находим значение резистора R5:

 кОм.

Из ряда номиналов Е 24 выбираем значение R5=2 кОм.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R5:

;

=0,128 Вт.

В качестве элемента R5 возьмем резистор МЛТ-0,25-2к±0,5.

В качестве VT4 выбираем транзистор КТ315А n-p-n, ВЧ со следующими параметрами:

b = 50-350;

I_кmax = 100 мА;

U_кэmax = 25 В;

U _кэн = 0,4 В;

U _бэн = 1,1 В.

Для поддержания транзистора VT4 в открытом состоянии необходимо чтобы напряжение U_кэ было больше U_кэн. Амплитуда напряжения на конденсаторе С4 U_С4 = 10 В. Возьмем напряжение U_кэ = 2 В, тогда напряжение на резисторе R7 равно:

U_R7=Е _к - (Uкэ+U_С4);

U_R7=16- (2 + 10) = 4 В.

Произведем расчет резистора R7:

 ;

Oм.

Из ряда номиналов Е24 выбираем резистор R7= 170 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R7:

; (10)

 Вт.

В качестве элемента R7 выбираем резистор МЛТ-0,125-170±0,5%.

Транзистор VT4 будет открыт, если U _БЭ ³U _БЭН в схеме U _БЭVT4= 1,5 В.

Напряжение стабилизации стабилитрона V1 находим из условия:

U _ст= U_R7 + U _БЭVT4;

 _ст= 4+1,5=5,5 В.

Выберем стабилитрон 2С210А со следующими параметрами:

U_ст = 9 - 10,5;

I_стmin=3 мА;

I_стmax=15 мА;

r_д= 15 Ом;

I _ст= 5 мА.

Расчет резистора R6 осуществляется следующим образом:

 ; 

Напряжение U_R6 определяется как разность напряжения питания Е_К и напряжения стабилизации U_СТ:

U_R6 = Е_К -U_СТ;

U_R6 =16-5,5= 10,5 В.

Из формулы (12) найдем значение R6:

= 2100 Ом.

Из ряда номиналов Е24 резистор R6=2200 Ом.

Мощность, рассеиваемая на R6:

;

=0,05 Вт.

Выбираем резистор МЛТ-0,125-680- 0,5%.

Расчет коэффициента нелинейности генератора пилообразного напряжения осуществляется из следующего условия:

e*100%;

Для расчета R_выхэ построим схему замещения транзистора VT4.

Расчет схемы замещения транзистора произведем по h-параметрам.

h_11б = 40 Ом;

h_22б = 0,3 мкСм;

Рисунок 4 - схема замещения транзистора.

h_12б = 45.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

 ;

 Ом.

Сопротивление коллекторного перехода:

;

=65359 Ом.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

 ;

где  - тепловой потенциал; (18)

=2,7 Ом.

Сопротивление базы транзистора:

;

 Ом.

R_ВЫХЭ = (R7+)½½(r _б +(r _д½½R6))½½r^* _к; (20)

R_ВЫХЭ = 4930,1 Ом.

Из формулы (15) рассчитаем коэффициент нелинейности генератора пилообразного напряжения:

e%.

Полученный коэффициент нелинейности генератора намного меньше данного e = 0,3 % .

Спроектированное и рассчитанное выше устройство имеет низкий коэффициент нелинейности x=0,024%, что позволяет получить на выходе пилообразные импульсы с малой степенью искажений.

Расчеты показали, что при этом обеспечивается низкий коэффициент нелинейности, а выходные напряжения ограничены лишь параметрами транзистора.

4. Генератор шума

.1 Теоретическая часть

В мире сейчас существует огромное количество самых разных устройств, так называемого шумового воздействия. Данный генератор шума находит свое применение в подавлении, ограничении действия радиосигнала, для защиты от несанкционированного доступа в телефонную сеть.

Мобильные "глушилки" бывают трех типов. Первую группу составляют довольно простые системы, использование которых не требует дополнительных энергозатрат. На стенах в помещении монтируются специальные экранирующие электромагнитные панели (Faraday Cage), обеспечивающие пассивное блокирование сотовых сигналов.

Второй метод - установка специального прибора, определяющего наличие включенного мобильника в радиусе пяти метров и более. При попытке позвонить устройство в течение короткого промежутка времени излучает подавляющий сигнал сравнительно небольшой мощности. В результате канал управления базовой станции, предназначенный для абонента, в зоне действия устройства перекрывается. Конкретные параметры подобных участков "мобильного молчания" зависят от характеристик используемых антенн. Входящие звонки отсекаются точно так же, вызова абонента не происходит, сигнал не слышен. После чего сотовый аппарат переключается в режим ожидания, оставаясь на обслуживании в сотовой сети. Сигналы подавляются на частотах 860-960 и 1800-1970 МГц.

Наконец, третий вариант - системы, создающие постоянные помехи в определенном диапазоне, причем некоторые из них обладают любопытной функцией: с помощью беспроводных технологий типа Bluetooth они автоматически переводят любой совместимый телефон в режим "молчания".

В настоящее время существует большое количество как отечественных, так и зарубежных аналогов данного устройства. В данной работе разрабатывается генератор шума, чьи преимущества состоят в следующем:

генератор шума прост в обращении, что делает его доступным;

прибор имеет автономный источник питания и не зависит от сети;

легкое изменение параметров сигнала;

благодаря применению защелок, возможна быстрая сборка устройства и замена источника питания, не требующие дополнительных приспособлений;

удобен для транспортировки.

С целью повышения конкурентоспособности данного изделия возникает необходимость в повышении технологичности, снижении себестоимости, а также уменьшении габаритных размеров.

Использование современных комплектующих позволяет повысить надежность, снизить габариты и массу разрабатываемого устройства.

Генератор шума для сотовых телефонов в соответствии с техническим заданием, является конструктивно законченным изделием, соответствующим следующим эксплуатационным требованиям:

температура окружающей среды от плюс 1 до плюс 40°С;

атмосферное давление (84-107)кПа, (630-800) мм рт.ст.;

относительная влажность воздуха (45-80)%;

вибрационные нагрузки, соответствующие лабораторным условиям эксплуатации.

Требования по надежности: средняя наработка на отказ не менее 5000 часов. С целью снижения затрат времени и средств на разработку устройства, технологическую подготовку производства, изготовление, эксплуатацию и ремонт, генератор должен соответствовать требованиям технологичности.

4.2 Выбор и обоснование структуры изделия

Для защиты информации от несанкционированной передачи через незащищенный канал сотовой телефонной связи необходимо использовать генератор акустического зашумления для обеспечения активной защиты в помещении. Для мобильности и простоты использования генератор шума должен обладать возможностью питания от портативных элементов питания. Необходимо, что бы генератор шума обеспечивал необходимое отношение сигнал/шум во всех октавных полосах (голосовых частотных полосах). Для выбора генератора акустического зашумления необходимо выяснить уровень фонового шума. В качестве фона взят уровень шума в помещении без присутствия людей. Уровень шума будет равен 10…15 дБ. Среднее значение звукоизоляции для одинарного стекла и герметичной металлической двери равны 30 дБ. В качестве возможных решений можно предложить данное изделие «генератор шума для сотового телефона».

Предназначен для защиты переговоров от прослушивания в замкнутых пространствах (тамбур, салон автомобиля, небольшие кабинеты и пр.) за счет генерации «белого» (речевого шума в акустическом диапазоне частот, что обеспечивает снижение разборчивости после записи или передачи по каналу связи.

Технические характеристики изделия «генератор шума для сотового телефона»:

Диапазон частот 450МГц-2000МГц

Габариты 100x55x35 мм

Питание: 9 В

Самым простым методом получения акустического шума является использование шумящих электронных элементов (ламп, транзисторов, различных диодов) с усилением напряжения шума. Принципиальная схема генератора шума для сотового телефона приведена на рис. 4.1

Рисунок 4.1 - Схема электрическая принципиальная изделия

4.3 Особенности работы и управление изделием

В схеме генератора шума для сотового телефона источником шума является полупроводниковый диод- стабилитрон, работающий в режиме лавинного пробоя при очень малом токе. Сила тока через стабилитрон составляет всего лишь около 100 мкА. Шум, как полезный сигнал, снимается с катода стабилитрона и через конденсатор С1 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя DD1, DD2 типа К176ЛА7 (К56ЛА7). На не инвертирующий вход этого усилителя поступает напряжение смещения, равное половине напряжения питания с делителя напряжения выполненного на резисторах R1 и R3. Режим работы микросхемы DD2 определяется резистором R2. С нагрузки усилителя, усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, выполненный на микросхеме DD2 типа К174ХА10. С выхода усилителя шумовой сигнал через индуктивно-емкостной фильтр поступает на узкополосный частотный излучатель.

Уровень шума регулируется транзистором Т1. Плавной регулировкой (точной настройкой на частоту) служит емкость P-N перехода (аналогично варикапу) транзистора Т1 включенного напрямую к + источника питания.

Диапазон плавной регулировки напряжения питания "Генератора управляемого напряжением" должен быть от 12 до 9 вольт, либо от 14,5 до 9 вольт. Принцип такой - напряжение меньше - частота больше и наоборот.

Рисунок 2 - Структурная схема изделия

Схема генерирует шум в широком диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц. Однако на практике он ограничен АЧХ усилителя. Схема генератора шума подбирается по максимальному уровню шума, так как стабилитроны представляют собой некалиброванный источник шума. Он может быть любым с напряжением стабилизации менее напряжения питания. Для получения калиброванного по уровню шума генератора используют специальные шумящие вакуумные диоды. Спектральная плотность мощности генерируемого шума пропорциональна анодному току диода.

Широкое распространение получили шумовые диоды двух типов 2ДЗБ и 2Д2С. Первый генерирует шума полосе до 30 МГц, а второй - до 600 МГц, что характеризует схему более технически легкой, дешевой и эффективной, является применение активных средств акустического зашумления. Которые обеспечивают высокую эффективность при относительно небольших материальных затратах и несложности установки. Для этой цели на российском рынке представлен значительный выбор технических средств акустического зашумления. Использование генераторов акустического зашумления также дает возможность модернизации системы защиты при изменении характера информационных угроз.

4.4 Расчетная часть

.4.1 Расчет на надежность

Расчет производится на основе схемы электрической принципиальной АКТП.230113.083 ЭЗ, перечня элементов АКТП. 230113.083 ПЭ3.

Задача расчета

Определить величины:

Интенсивность отказов изделия ( λизд ), 1/час;

Среднее время наработки Тср, час;

Вероятность безотказной работы изделия, Р(t).

Данные для расчета

Расчет производится по окончательному варианту, то есть выбор интенсивности отказа Э.Р.Э производится в зависимости от температуры нагретой зоны изделия tнз и коэффициента нагрузки Кн. Коэффициент нагрузки принимается равным единице.

Интенсивность отказа изделия  определяется по формуле:

где N - число ЭРЭ данного наименования, шт;

 интенсивность отказов ЭРЭ данного наименования ;

n - число наименований Э.Р.Э в.

Средне время наработки до первого отказа Тср определяется по формуле

Вероятность безотказной работы изделия Р(t) определяется по формуле:

где tp - время, в течении которого изделие должно работать безотказно, час;

Тср - среднее время наработки до первого отказа, час.

Расчет

Результаты расчета занесены в таблицу 2

Таблица 2 - Надежность радиоэлементов

=20*0,003874=0,170456 *10-3

Тср=1/0,170456*10-3 =5866,617

Вывод

Вероятность безотказной работы Р(t)= 0,9659.

Анализ полученных данных говорит о том, что изделие надежно и выбор электрорадиоэлементов был верен.

4.4.2 Расчет на тепловое воздействие

Задача расчета

Рассчитать:

длину нагретой зоны Lнз ,мм;

температуру нагретой зоны ;

высоту нагретой зоны  мм.

Данные для расчета

-общая мощность ЭРЭ=1,25 Вт;

толщина платы h=1,5 мм = 0,0015 м;

длина изделия а=100 мм = 0,1 м;

ширина изделия b=55 мм=0,05 м;

высота изделия H=35 мм=0,035 м;

максимальная температура окружающей среды 0 до +40;

общий объем ЭРЭ= 1135,05

Условия расчета

Температура нагретой зоны  определяется по формуле:

_из=(Р*h/(a*b*ρT))+(4)

ρт - теплопроводность стеклотекстолита (0,17*).

Объем изделия определяется по формуле :

=a*b*H

Коэффициент заполнения  определяется по формуле:

где V-объем всех ЭРЭ.

Высота нагретой зоны  мм определяется по формуле:

      = H*

Расчет

Температура нагретой зоны :

t_нз=(1,25*0,0015/(0,1*0,05*0,17))+35=37,2

Объем изделия:

=5,5*10*3,5= 192500 мм3=0,0002 м3

Коэффициент заполнения :

Кз=(1135,05+(55*100*15))/ 192500 =0,43

Высота нагретой зоны :

Ннз=35*0,43=15,05 мм

Длина нагретой зоны 100 мм; ширина нагретой зоны 55 мм; температура нагретой зоны  =37,2◦С, высота нагретой зоны =15,05 мм.

Температура нагретой зоны не превышает максимальных температур ЭРЭ (+70 ◦С) следовательно, изделие к перегреву и тепловым воздействиям устойчиво.

Тезаурус

Сигнал - символ (знак, код), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Смысл и значение сигнала проявляются в процессе дешифровки его второй (принимающей) системой.

Электронный усилитель - усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры-радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т.д.

Положительная обратная связь (ПОС)- тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения.

Фильтр в электронике- устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

Амплитуда - максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Неотрицательная скалярная величина, размерность которой совпадает с размерностью определяемой физической величины.

Пьезоэлектрики - диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жакоми Пьером Кюрив 1880-1881гг.

Диэлектрик (изолятор) - вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик- вещество с шириной запрещённой зоны больше 3эВ.

Пьезоэлектрический эффект- эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Линейные электронные осцилляторные схемы, которые генерируют синусоидальный выходной сигнал, состоят из усилителя и частотно избирательного элемента - фильтра. Схемы генераторов, которые используют RC цепи, комбинацию резисторов и конденсаторов, в их частотно избирательных частях называются RC генераторами. RC-генераторы относятся к классу автоколебательных систем релаксационного типа.

Транзистор или полупроводниковый триод-радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

Операционный усилитель (ОУ) - усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.- производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wirelesspersonalareanetwork, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Заключение

В ходе работы была разработана структурная и принципиальная схема генератора прямоугольных импульсов, генератора синусоидальных колебаний, генератора шума и генератора линейно-изменяющегося напряжения в соответствии с заданием. Были получены практические навыки по расчету импульсного трансформатора, усилителя мощности и других функциональных блоков.

Список литературы

1.   Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника; Учебник для ВУЗов. -М.; Недра, 1990. - 374с.; с ил.

2.      Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л; Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. -304 с.; ил.

.        Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства; Справочник радиолюбителя - Киев; Наук. думка. 1989. - 800 с.; ил.

.        Четвертков А.Р., Дубровский С.С., Иванов А.В. “Резисторы”: Справочник, Москва 1991г.

.        Аксенов А.И., Нефедов А.В. “Резисторы. Конденсаторы”: Справочное пособие, Москва 2000г.

.        Аксенов А.И., Нефедов А.В. “Отечественные полупроводниковые приборы”: Справочное пособие, Москва 2000г.

.        Бондарь В.А. “Генератор линейно - изменяющегося напряжения”, 1988г.

.        Гусев В.Г., Гусев Ю.М. “Электроника”: Учебное пособие для вузов, Москва 1982.

.        Гершунский Б.С. “Справочник по расчету электронных схем”, Киев 1983.

.        Хоровиц П., Хилл У. ”Искусство схемотехники”: Москва 2001г.