Проектирование блока горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа

Разработка структурной схемы электронно-лучевого осциллографа. Методика расчета базовых усилительных каскадов и расчет элементов принципиальной электрической схемы. Выбор тактового генератора - кварцевого автогенератора с буферным выходным элементом.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

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.

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

3 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.

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

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

6 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.

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

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

9 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 ф_{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 a60 мм и S_x0,8 мм/В, откуда U_вых75В.

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 ф=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)...