Проектирование высокочастотного генератора синусоидальных сигналов

21 Министерство образования и науки Украины Харьковский национальный университет радиоэлектроники Кафедра БМЭ Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “Аналоговая и цифровая электроника” на тему: “ Проектирование генераторов гармонических колебаний “ Выполнил а : Проверил: ХАРЬКОВ 200 9 РЕФЕРАТ Целью данной курсовой работы является расчет генератора синусоидальных сигналов. Пояснительная запис ка к курсовой работе содержит 25 страниц текст а, включающих в себя 3 приложения. Перечень ключевых слов: генератор гармонических сигналов; фазирующая цепочка; активный элемент; условие самовозбуждения; частота генерируемых сигналов. С одержание Введение 1 Анализ технического задания 2 Выбор принципиальной схемы 3 Электрический расчет схемы 4 Анализ схемы (разработка математической модели) на ЭВМ Выводы Список используе мой литературы Прилож е ние Введение Электронный генератор представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности. По принципу работы и схемному построению различают генераторы с самовозбуждение (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением ,которые по существу являются усилителями мощности генерируемых колебаний заданной частоты . Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы колебаний несинусоидальной формы, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами. Являясь первоист очником электрических колебаний , генераторы с самовозбуждением широко используются в радиопередающих и радиоприемных (супергетеродинных) устройствах, в измерительной аппаратуре, в ЭВМ, в устройствах телеметрии и т. д. По диапазону генерируемых частот генераторы делятся на низкоча стотные (от 0,01 Гц до 100 кГц) , высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц ) и сверхвысокочастотные (от 100 МГц и выше ). Широкое внедрение сложных радиоэлектронных устройств в различные отрасли народного хозяйства ставит перед разработчиками радиоаппаратуры две важнейшие задачи: повышение ее надежности и уменьшение массы и габаритов. Надежность аппаратуры в настоящее время повышается за счет применения соответствующей элементной базы и специальных методов построения систем, а основным направлением миниатюризации избирательных и автоколебательных низкочастотных систем, ввиду отсутствия реальных путей миниатюризации катушек индуктивности, является внедрение активных избирательных RC -цепей (активных RC -фильтров и RC -генераторов). Широкому распространению транзисторных RC -генераторов синусоидальных колебаний способствует простота изготовления, существующие высокостабильные конденсаторы и сопротивления, стабильные операционные и интегральные усилители, а также технологическая перспективность, если учесть прогресс технологии микромодулей и цепей на основе твердого тела. Целью данной курсовой работы является проектирование низкочастотного генератора синусоидальных колебаний. Параметры генератора представлены в задании на курсовую работу. 1 Анализ технического задания В данной курсовой работе необходимо разр аботать генератор гармонических колебаний, который имел бы такие параметры: -выходная мощность P вых = 0, 2 Вт; -сопротивление нагрузки R н = 2 кОм; -частота генерируемых колебаний f н = 5 М Гц; -стабильность частоты . В результате анализа ТЗ можно сделать вывод, что разрабатываемый генератор относится к высо кочастотным генераторам средней мощности. А поскольку применение генераторов с колебательными контурами (типа R C ) для генерирования колебани й высокой частоты затруднено, то для проектируемого генератора целесообразно использовать схему типа L C . Синтез схемы и расчет ее элементов будут произведены в следующих пунктах расчетно-пояснительной записки. 2 Выбор принципиальной схемы Известно много разновидностей схем транзисторных генераторов типа LC , но любая из них должна содержать: колебательную систему (обычно колебательный контур), в которой возбуждаются требуемые незатухающие к о лебания; источник электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатуха ю щие колебания; транзистор, с помощью которого р е гулируется подача энергии от источника в контур; элемент обратной связи, посредством которого осуществляе т ся подача необходимого возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную. Простейшая схема транзисторного генератора типа LC приведена на рису н ке 1.1. Такая схема называется генератором в трансформаторной связью и использ у ется обычно в диапазоне высоких частот. Элементы R 1, R 2, R 3 и С2 предназначены для обеспечения необходимого р е жима по постоянному току и его термостабилизации. С помощью конде н сатора С1 емкостное сопротивление, которого на высокой частоте незначительно, заземл я ется один конец базовой обмотки. В момент включения источника питания в ко л лекторной цепи транзистора появляется ток I K , заряжающий конденсатор С3 кол е бательного контура. Так как к конденсатору подключена катушка L 1, то после з а ряда он начинает разряжаться на кату ш ку. В результате обмена энергией между конденсатором и катушкой в контуре возникают свободные затухающие колеб а ния, частота которых определ я ется параметрами контура (1.1) Рисунок 1.1-Транзисторный автогенератор Переменный ток контура, проходя через катушку L 1, создаёт вокруг нее п е ременное магнитное поле. Вследствие этого в катушке обратной связи L 2, вкл ю ченной в цепь базы транзистора, наводится переменное напряжение той же част о ты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульс а цию тока коллектора, в котором появляется переменная с о ставляющая. Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором переменное напряжение. Это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи L 2, которое влечет за собой новое нарастание амплитуды тока коллектора и т.д. Нарастание коллекторного тока наблюдается лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора. Что же касается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротивлением потерь контура, а также затухан и ем, вносимым в контур за счет протекания тока в б а зовой обмотке. Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий, которые получили название условий сам о возбуждения. Первое из этих условий называют условием баланса фаз. Сущность его св о дится к тому, что в схеме должна быть установлена именно положительная обра т ная связь между выходной и входной цепями транзистора. Только в этом случае создаются необходимые предпосылки для восполнения потерь энергии в конт у ре. Поскольку резонансное сопротивление параллельного контура носит чисто акти в ный характер, то при воздействии на базу сигнала с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе будет сдвинуто по фазе на 180 о . Напряж е ние, наводимое на базовой катушке за счет тока I K , протекающего через конту р ную катушку L 1, равно (1.2) где - коэффициент взаимоиндукции между катушками. Очевидно, необходимо так выбрать направление намотки базовой к а тушки, чтобы . Только в этом случае общий фазовый сдвиг в цепи усил и тель - обратная связь будет равен нулю, т.е. в схеме будет установлена полож и тельная обратная связь. Если же , то обратная связь окажется отриц а тельной и колебания в контуре прекратятся. На практике выполнение условия баланса фаз достигается соответс т вующим включением концов катушек L 1 и L 2. При отсутствии самовозбуждения необх о димо поменять местами концы катушки связи L 2. При этом а в тогенератор должен самовозбудиться, если в схеме нет других неисправн о стей. Выполнение условия баланса фаз является необходимым, но недостаточным для самовозбуждения сх е мы. Второе условие самовозбуждения состоит в том, что для существования авт о колебательного режима ослабление сигнала, вносимое цепью ОС, должно компе н сироваться. Иными словами, глубина положительной ОС должна быть такой, чт о бы потери энергии в контуре восполнялись полн о стью. При наличии ОС коэффициент усиления равен (1.3) где - коэффициент усиления усилителя без обратной связи; - коэффиц и ент передачи цепи обратной связи. Для рассматриваемой схемы коэффициент , показывающий, какая часть п е ременного напряжения контура подается на базу транзистора в устан о вившемся режиме работы, равен (1.4) где - амплитуда тока в контуре автогенератора. Учитывая, что усилитель с положительной обратной связью переходит в р е жим генерации при условии , получаем значение коэффициента п е редачи цепи обратной связи, необходимое для самовозбужд е ния, . (1.5) Условие самовозбуждения, выраженное формулой (1.5), называют усл о вием бала н са амплитуд. Выбор энергетического режима генератора. Транзисторный автогенер а тор типа LC может работать в разных режимах. Для установки соответствующего р е жима выбирается коэффициент использования коллекторного н а пряжения . Этот коэффициент равен отношению амплитуды переменного напряж е ния на контуре к постоянному напряжению на коллекторе Е К . (1.6) Рисунок 1.2 – Графики зависимости коэффициен-тов разложения импульсов тока При устанавливается недонапряженный режим работы автогенер а тора. При режим работы называют перенапряженным. Обычно используется кр и тический режим работы автогенератора. В этом случае автогенератор отдает тр е буемую полезную мощность при достаточно высоком КПД. Форма тока в колле к торной цепи автогенератора зависит от режима работы. Если ток проходит на пр о тяжении всего периода напряжение на входе, то колебания его имеют синусо и дальную форму и их называют колебаниями первого рода. Этот режим характер и зуется малым КПД и поэтому в автогенераторах используется редко. Более выго д ным является режим колебаний втор о го рода с отсечкой коллекторного тока. Угол отсечки коллекторного тока транзистора в критич е ском режиме составляет . Известно, что ток, имеющий форму импульсов, можно разложить в ряд Фурье и представить в виде суммы постоянного тока, пер е менного тока той же частоты, что и частота повторения импульсов, пер е менного тока удвоенной частоты, а так же переме н ных токов более высоких частот. Важно отм е тить, что именно первая гармоника тока создает на контуре генератора переменное напряжение требу е мой частоты, амплитуда которого определяе т ся по формуле , (1.7) где - резонансное сопротивление контура а в т о генератора. Для токов других частот контур имеет малое сопротивление и токи этих ча с тот проходя через контур, не создавая на нем заметного напряжения. Таким обр а зом, несмотря на то, что ток коллектора по форме о т личается от синусоидального, колебательное напряжение на контуре оказывается синусо и дальным. Амплитуду первой гармоники, а также величину постоянной составляющей импульсного тока можно найти с помощью коэффициентов разл о жения и , зависящих от угла отсечки рисунок 1.2 Между амплитудным значением первой гармоники тока , постоянной с о ставляющей тока и максимальным значением импульсного тока сущ е ствуют соотношения ; (1.8) (1.9) Для анализа и расчета транзисторных генераторов допустимо польз о ваться идеализированными характер и стиками транзисторов рисунок 1.3. Один из основных параметра, в схеме генератора, является крутизна л и нии критического режима рисунок 1.3б. У некоторых типов транзисторов с о тен миллиампер на вольт и выше. Важными параметрами являются также крутизна характеристики тока ко л лектора при (1.10) и напряжение среза , определяемое для заданного рабочего напряжения на ко л лекторе рисунок 1.3 б. Главную особенность работы транзистора на высоких частотах соста в ляет влияние времени пробега носителей тока. Это время невелико и на сравнител ь но низких частотах им можно пренебречь, но с повышением частоты вли я ние это значительно увеличивается. Действие времени проявл я ется, прежде всего в том, что заряды, инжектированные эмиттером в один и тот же момент времени, приходят к коллектору в разное время. Появляется рассеяние носит е лей тока, к о торое приводит к уменьшению коэффициента усиления тра н зистора по току, тем более сильному, чем выше частота генерируемых колеб а ний. Инерционность носителей тока приводит также к возникновению между первой гармоникой коллекторного тока и коллекторного напряжения на контуре фазового сдвига ц пр , зависящего от времени движения носителей тока Существенное влияние на работу транзисторного генератора в области высоких частот оказывают емкости эмитерного и коллекторного p – n переходов транзистора. С повышением частоты для поддержания на требуемом уровне коллекторного тока и полезной мощности на выходе генератора необходимо увеличить амплитуду напряжения возбуждения на участке база – эмиттер. 3 Электрический расчет схемы Порядок расчета LC -генератора на транзисторе. Основными техническими данными для расчета транзисторного LC -генератора являются: выходная мощность, отдава емая автогенератором в нагрузку , Р вых и частота генерируемых колебаний f р . Пор ядок расчета транзисторного генератора рассмотрим применительно к схеме, приведенной на рис. 9.2,а. 1.Выбираем тип транзистора . При заданном значении Р вых мощность Р к , которую до лжен отдать транзистор в контур , составляет Р К =Р вых/ з к, (1.11 ) Вт Где з к , - КПД контура. При повышенных требованиях к стабильности частоты автогенератора КПД контура з к выбирают в пределах 0,1…1,2. В остальных случаях его можно увеличить до 0,5…0,8. Выбирая транзистор, необходимо исходить из условий Р К max > P K , (1.12 ) f max