Разработка генератора сигнала специальной формы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ 

Государственное образовательное учреждение высшего     профессионального образования 

«Белгородский Государственный  Технологический Университет им. В.Г. Шухова»  
(БГТУ им. В.Г. Шухова)

 

ИИТУС

Кафедра Технической Кибернетики

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

дисциплина: «Электроника»

на тему:                                                                                                  

 «Разработка генератора сигнала специальной формы»

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                              Выполнил:

Студент группы УС-31

Кулабухов Р.И.

 

     Принял:

Белоусов А.В.

 

 

 

 

 

 

 

Белгород 2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

УС-31

Разработка функционального  генератора

 

Содержание

 

 

Белоусов А.В.

№Документа

Кулабухов Р.И.

Разработал

Проверил

Принял

Подпись

Дата

Лист

Изм

Лист

2

Литера

1

Листов

Введение  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3

1. Постановка задачи …………………………………………………………………………………………………………… 5

2. Принципы построения функциональных генераторов ……………………………………… 6

2.1. Функциональный генератор на основе интегратора ……………………………………. 6

   2.2. Функциональный генератор управляемый током и напряжением …………. 9

3.  Разработка  функциональных блоков ……………………………………………………………………….13

 3.1. Преобразователь «Треугольник-синус» …………………………………………………………………13

  3.2. Разработка релаксатора ………………………………………………………………………………………………16

  3.3. Блок управления частотой …………………………………………………………………………………………..18

 3.4. Расчет усилителя мощности ………………………………………………………………………………………. 20

 3.5. Разработка источника питания ………………………………………………………………………………. 22

3.6. Электронное управление амплитудой …………………………………………………………………….. 25

4. Вывод ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 28

5. Список используемой литературы ……………………………………………………………………………… 29

 

Белоусов А.В.

 

 

УС-31

Разработка функционального  генератора

 

Введение

 

 

Белоусов А.В.

№Документа

Кулабухов Р.И.

Разработал

Проверил

Принял

Подпись

Дата

Лист

Изм

Лист

3

Литера

2

Листов

Введение

Развитие науки  и ускорение технического прогресса  – одна из важнейших народнохозяйственных задач, которую можно успешно  решать при наличии парка измерительных приборов различного назначения. К средствам измерений, наиболее широко применяемым практически во всех областях науки и техники, относятся измерительные генераторы сигналов. В подгруппе измерительных генераторов сигналов наиболее «молодую» ветвь составляют генераторы сигналов специальной формы (ГССФ). Основой ГССФ являются аналоговые функциональные генераторы.

Функциональный генератор  представляет собой устройство, на выходе или выходах которого формируются  сигналы различных форм (т.е. различные  «функции» с математической точки  зрения) и в котором сигнал синусоидальной формы получают из сигнала треугольной формы путем функционального преобразования.

В начале 50-х годов  прошлого столетия функциональный генератор  являлся простейшим источником сигналов синусоидальной, треугольной и прямоугольной  форм в диапазоне инфранизких и частично низких частот. К настоящему времени он стал наиболее универсальным измерительным генератором сигналов, охватывающим частотный диапазон от единиц микрогерц до десятков-сотен мегагерц.

Эти приборы отличаются многообразием форм выходных сигналов, достаточно высокими техническими характеристиками, широкими функциональными возможностями. Этим объясняется возможность использования  современных функциональных генераторов  в ряде случаев практики.

 

4

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

Наряду с отмеченными  достоинствами функциональные генераторы имеют малые габариты, массу, потребляемую мощность, достаточно высокую надежность и небольшую стоимость, благодаря  отсутствию в них дорогостоящих  громоздких механических узлов и  сложных электронных блоков.

К настоящему времени  функциональные генераторы получили широкое  распространение в РФ и за рубежом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УС-31

Разработка функционального  генератора

 

Постановка задачи

 

 

Белоусов А.В.

№Документа

Кулабухов Р.И.

Разработал

Проверил

Принял

Подпись

Дата

Лист

Изм

Лист

5

Литера

1

Листов

Постановка  задачи

 

Разработать функциональный генератор, который характеризуется  следующими параметрами:

T= (1 мкс ÷ 10 мс) – регулировка декадная;

 

U_вых=(0 ÷ 30) В

 

(I_н)_max= 1 А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1.1. Первоначальная структурная схема

 

Выходные  сигналы (временные диаграммы):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УС-31

Разработка функционального  генератора

 

Принцип построения функционального генератора

 

 

Белоусов А.В.

№Документа

Кулабухов Р.И.

Разработал

Проверил

Принял

Подпись

Дата

Лист

Изм

Лист

6

Литера

7

Листов

Принцип построения функционального генератора

 

Функциональные  генераторы делятся на два широких  класса:

• Аналоговые функциональные генераторы на основе интегратора аналоговых сигналов в виде прямоугольных импульсов (меандра).
• Цифровые функциональные генераторы на основе дискретных (цифровых) интеграторов.

Помимо простоты реализации, аналоговые функциональные генераторы имеют одно неоспоримое преимущество перед их цифровыми собратьями – отсутствие ступенек на участках роста и спада пилообразного и синусоидального выходных напряжений. Это особенно важно, если необходимо получение производной от выходного напряжения генератора. В этом случае ступеньки недопустимы, поскольку при переходе от одной ступеньки к другой производная устремляется к очень большим значениям.

Для реализации аналогового  интегрирования применяют устройства заряда-разряда конденсатора неизменным током и схемы со 100% отрицательной обратной связью (емкостные интеграторы на интегрирующих усилителях постоянного напряжения).

1. Функциональный генератор на основе интегратора

Принцип построения функционального генератора со 100%-й  отрицательной емкостной обратной связью поясняет рис. 2.1. Основой генератора является интегратор И, построенный как функциональный узел «Интегратор» на операционном усилителе ОУ, и релейный элемент (РЭ) (рис. 2.1, а). Релейный элемент имеет гистерезисную передаточную характеристику, показанную на рис. 3.1, б.

 

7

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

При нарастании линейно-изменяющегося напряжения с выхода интегратора релейный элемент переключается (напряжение на выходе падает с U2>0 до U1<0), что ведет к изменению направления интегрирования интегратора И. Напряжение на его выходе становится линейно-падающим, и когда оно падает ниже уровня U1 РЭ вновь срабатывает, и напряжение на его выходе становится равным U2>0. Направление интегрирования вновь меняется, и процессы повторяются.

Как следует из описанного, функциональный генератор является типичным представителем релаксационных генераторов на основе релейного элемента, подобного широко известному триггеру Шмитта. При этом желательно (и даже необходимо), чтобы РЭ имел симметричную передаточную характеристику, удовлетворяющую условию U2=|U1|. Это ограничивает число походящих типов релаксационных генераторов, применяемых для построения функциональных генераторов.

Прямоугольные и треугольные импульсы (рис. 2.1, г) получаются вполне естественно, как результат работы релаксационного генератора. Но для получения синусоидального напряжения приходится использовать специальный нелинейный преобразователь Пр, функции которого поясняет рис. 2.1, в. Разработка такого преобразователя является достаточно сложной технической задачей, её решение рассматривается далее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

 

9

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 2.1.

           Блок_схема функционального генератора (а) и диаграммы, иллюстрирующие его работу: переключения релейного элемента (б), преобразования треугольного напряжения в синусоидальное (в) и формы выходных сигналов (г).

 

2. Функциональный генератор, управляемый напряжением или током

При построении функционального  генератора возможность управления его параметрами (прежде всего, частотой) оказывается ограниченной. Так, в генераторе на рис 2.1 грубое изменение частоты можно организовать переключением конденсатора С, а плавное изменение частоты осуществляется измерением R. Кратность плавного изменения частоты может достигать десятков – сотен раз.

Однако для  современных функциональных генераторов  обычно необходимо реализация электронного изменения частоты, а нередко  и других параметров.

Есть два очевидных  способа электронного управления частотой функционального генератора:

• Изменение токов заряда и разряда конденсатора
• Изменение уровней U₁ и U₂ срабатывания релейного элемента

 

10

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

 

Рис. 2.2 Структурная схема управляемого и частотно-модулированного функционального  генератора

 

Второй способ обычно ведет к изменению амплитуды  выходных сигналов, что чаще всего  нежелательно. В связи с этим далее  рассматривается только структура  с управлением частотой изменением тока заряда и разряда конденсатора.

На рис. 2.2. показана общая структурная схема функционального  генератора, управляемого напряжением  U_0,, снимаемого с потенциометра R_f. Блок управления частотой (БУЧ) создает пару напряжений или токов, которые могут иметь дополнительные приращения для осуществления частотной модуляции. Для этого на вход ЧМ подается модулирующее напряжение от относительно низкочастотного генератора.