Принцип действия схемы генератора на основе операционного усилителя. Проверка работы мультивибратора в программе Micro-Cap, определение относительной погрешности. Описание интегральной схемы К572ПА2. Схема дискретно-аналогового преобразования фильтра.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство Образования Российской Федерации

Ижевский Государственный Технический Университет

Кафедра Вычислительной Техники

Пояснительная записка

к курсовой работе по курсу

«Схемотехника аналого-цифровых устройств»

Выполнил:

студент гр. 5-36-2

Хуснутдинова З.

Проверил:

к.т.н., доцент каф. ВТ

Сяктерев В. Н.

Ижевск 2009

Содержание

Часть 1. Анализ технического задания

1. Принцип работы

2. Расчет схемы

3. Моделирование схемы

Часть 2. Описание интегральной схемы К572ПА2

Заключение

Литература

Часть I. Анализ технического задания

Вариант 8-5-2

Требуется рассчитать генератор на операционном усилителе.

fг	4кГц
Uвых. max	10 В
fч	20мкс
Tокр. ср.	±50 °C
	±5%

Во второй части курсовой работы необходимо дать описание интегральной схемы К572ПА2.

Техническое задание накладывает ограничения на выбор ОУ.

1. Принцип работы схемы

Рассмотрим принцип действия схемы генератора на основе ОУ (рис. 1)

а) б)



в)

Рис. 1. Генератор на основе ОУ(а), передаточная характеристика инвертирующего компаратора (б) и временные диаграммы выходных напряжений схемы (в)

генератор операционный усилитель мультивибратор

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. Схема генератора на ОУ приведена на рис.1(а) . В данном случае ОУ охвачен двумя цепями ОС: положительной с коэффициентом передачи bПОС=R2/(R1+R2) и отрицательной с bООС=1/RООС (СOOC+1). Рассмотрим процессы, происходящие в схеме при условии Uвыхmax=|-Uвыхмах|. Для этого воспользуемся передаточной характеристикой усилителя относительно его инвертирующего входа рис1(б). Очевидно, что в случае ОУ выполняет функции инвертирующего компаратора напряжения.

Предположим, что в момент t0 на схему подано напряжение питания. Так как усилитель охвачен цепью безынерционной ПОС, а напряжение на его инвертирующем входе Uвхи=UcOOC=0, на выходе ОУ равновероятно может установиться любое из его максимально возможных напряжений.

Допустим, что uвых0=Uвыхмах. Тогда входное напряжение ОУ примет значение

UвхОУ=Uвхи-Uвхн=-bПОСUвыхмах<0, (1.1)

что подтвердить положительную полярность его выходного напряжения. Согласно характеристике рис. 1(б), это состояние схемы можно было бы считать устойчивым состоянием равновесия. Однако после появления на выходе ОУ напряжения положительной полярности Uвыхмах начинается процесс заряда конденсатора Cоос. Напряжение на инвертирующем входе усилителя начнет повышаться. Этот процесс идёт с постоянной времени заряда и сопровождается увеличением входного напряжения ОУ.

(1.2)

В момент, когда напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает значение UвхИ=bПОСUвыхмах (при этом UвхОУ=0), выходное напряжение усилителя изменит свою полярность, уменьшившись до Uвых1=-Uвыхмах. Напряжение на инвертирующем входе уменьшится до UвхИ=-bПОСUвыыхмах, а входное напряжение усилителя увеличится до UвхОУ=2bПОСUвых>0.

Новое состояние схемы также будет квазиустойчивым. Изменение полярности выходного напряжения ОУ вызовет перезаряд конденсатора СООС. В результате этого с течением времени входное напряжение усилителя UвхОУ будет уменьшаться, и в момент, когда Uвх ОУ=0 (UвхИ=-bПОСUвыхмах), произойдёт очередное переключение схемы и процесс повторится.

Таким образом, на выходе ОУ будет формироваться переменное напряжение uвых1 прямоугольной формы. Форма напряжения на конденсаторе uвых2, составленная из начальных участков экспоненциальных процессов его перезаряда, будет приближаться к треугольной. На рис. 1(в) представлены временные диаграммы выходных напряжений.

Обычно в реальных условиях такая схема не выполняется. Поэтому используют схемы генераторов для отрицательных и положительных значений выходного напряжения ОУ.

Рис.2 Мультивибратор на ОУ

Режим работы мультивибратора. В момент t=0 (рис.3) включается источник питания ОУ. При этом начинает возрастать Uвых, а, следовательно, и напряжение, снимаемое с делителя R1, R2 и поданное на вход Uвх+, что вызывает дальнейшее увеличение выходного напряжения Uвых, т.е. происходит лавинообразный процесс, в результате которого Uвых скачкообразно возрастает до значения E+ (это первое состояние квазиравновесия), а Uвх+ - до значения , где

.

Рис.3

Напряжение Uвх- при этом практически не изменяется и равно нулю.

С увеличением t, за счет разряда конденсатора через резистор R4 увеличивается напряжение Uвх- по экспоненциальному закону до значения Е.

В момент времени t1 Uвх+ =Uвх- =E. При этом Uвых уменьшается лавинообразно, меняя полярность на противоположную.

В результате Uвых= -Е, а Uвх+=-E.

Конденсатор начинает заряжаться через сопротивление R3 и стремится перезарядиться до напряжения -Е. В момент, когда при перезагрузке конденсатора напряжение Uвх- достигает значения -E, вновь возникает регенеративный процесс, завершающийся переключением схемы.

Таким образом, периодически происходит переход из одного состояния в другое.

Первый импульс имеет меньшую длительность, т.к. формируется при

(1.3)

где

зарядке конденсатора от нуля до и определяется по формуле:

Последующие импульсы определяются по формуле:

(1.4)

Период следования импульсов равен:

(1.5)

Где R3 и R4 сопротивления зарядного и разрядного резисторов. Максимальный дифференциальный сигнал Uдф=2E. Синфазный сигнал Ucф=E.

При выборе схемы ОУ необходимо учесть, чтобы Uдфм > 2E.

2. Расчет схемы

Для расчета заданной схемы выберем операционный усилитель, соответствующий указанным параметрам: КР140УД8А.

, , , .

Параметры КР140УД8А:

- напряжение питания, Е =

- максимальное выходное напряжение, Uвыхм

- коэффициент усиления напряжения, Кu не менее 50000

- входное синфазное напряжение, Uсфм не более 5В

- входное напряжение, Uвх не более 10В

- температура окружающей среды, Токр. ср. = -45…+70 ?С

Найдем скважность генерируемых импульсов:

(2.1)

1) Согласно теоретической части работы: Ucф=?, Uдф=2E,

(2.2)

2) Подберем параметры резисторов R1 и R2.

Реальные значения Rвхоу и Rвыхоу оказывают влияние на форму генерируемых импульсов, однако это влияние незначительно, если сопротивления резисторов R1 и R2 удовлетворяют неравенствам:

Следовательно, R1 и R2 должны лежать в пределах от 1 кОм до 10000 МОм,

а также должно выполняться ,

Выберем сопротивления R1=3,9кОм, R2=9,1кОм (из ряда Е24). Резисторы: C2-33-0.125 - 3900 Ом 5% и C2-33-0.125 - 9100 Ом 5%.

(2.3)

3) Подберем параметры для времязадающей цепи.

Чем меньше , тем быстрее происходит перезаряд конденсатора. По формуле (1.4)

Необходимо подобрать параметры R3, R4 и С таким образом, чтобы выполнялось неравенство , а также согласно получившейся скважности, R3>> R4.

Выберем из ряда Е24 сопротивления R3=16кОм, R4=750 Ом и

C2-33-0.125 - 18000 Ом 5%, C2-33-0.125 -620 Ом 5%, К10-23 -

Значение T соответствует заданному T=0,4 мс.

Проверим точность полученных параметров. Для этого увеличим каждый на 5% и определим, на сколько изменятся выходные данные.

R1=3900*1,05=4095 Ом

R2=9100*1,05=9555 Ом

R3=750*1,05=787 Ом

R4=16000*1,05=16800 Ом

С=0,02*10-6*1,05=0,0021мкФ

По формулам (2.3), (1.4) и (1.5)

Рассчитаем относительные ошибки:

3. Моделирование схемы

Для проверки работы мультивибратора, соберем схему программе Micro-Cap.

Временные интервалы: