Расчет автоколебательного мультивибратора

Федеральное агентство  по образованию РФ

Рязанский государственный радиотехнический университет

 

 

Кафедра АИТП

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по предмету

«Электротехника и электроника»

 (Вариант 2)

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. 238

Гадельшин А.

Проверил:

Морозов А.С.

 

 

 

Рязань 2013.

Пояснительная записка

1) Задание на курсовой проект.

       1.Рассчитать параметры элементов автоколебательного мультивибратора.

 1.2. Используемый операционный усилитель К140Д14А

 1.3. Исходные данные: f=20КГц.

       2. Определить форму выходного сигнала ПИ-звена при входном сигнале типа sin с амплитудой 0.5 В и частотой 20КГц( k=3,3, k_i=8c^-1).

 

2) Введение.

   Автоколебательный мультивибратор (АМ) представляет собой генератор прямоугольных импульсов типа меандра (периодический сигнал прямоугольной формы, длительность импульса и длительность паузы которого в периоде равны). АМ выполнен на операционном усилителе (ОУ). ОУ представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления  К_оу=10⁴-10⁵. ОУ используется в системах автоматики для выполнения математических операций: суммирование, деление, интегрирование, дифференцирование, сравнения двух величин, для построения регуляторов: П - пропорционального, ПИ - пропорционально-интегрирующего, ПИД - пропорционально-интегрирующе-дифференцирующего, релейного регулятора и т.д. А так же для построения генераторов прямоугольной и синусоидальной формы импульсов.

 

3) Описание и характеристики операционного усилителя.

Коэффициент усиления	Коу	50 000
Напряжение  питания (В)	Uпит	±15
Выходное напряжение (В)	Uвых	±13
Выходной ток (А)	Iвых	2,5

Операционный усилитель К140Д14А

 

 

4) Описание принципа действия и расчет устройства.

Схема АМ имеет  вид:

 

В схеме на инвертирующий  вход ОУ подается напряжение положительной  обратной связи U_пос = U_c , на не инвертирующий вход ОУ подается напряжение U_пос. Коммутация выхода происходит, когда напряжение U_пос ≈ U_c.

Принцип действия рассмотрим на графике:

Допустим, что  в момент включения питания на выходе ОУ установилось отрицательное  напряжение U_вых^(-) . В этом случае конденсатор начнет разряжаться через сопротивление R_o до отрицательного напряжения на выходе.  
В момент времени t₁ напряжение на конденсаторе достигнет U₁. В этот момент произойдет переключение выхода с отрицательного значения на положительное. В результате конденсатор по цепочке U_вых, R_o, С будет заряжаться.  
В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе достигнет значения U₂, произойдет коммутация выхода с положительного значения к отрицательному значению, далее процесс повторяется. Конденсатор будет разряжаться до момента t₃. Таким образом, на выходе создаются прямоугольные импульсы с периодом повторения T=2ȶ_u. Длительность импульса определяется постоянной времени заряда и разряда конденсатора.

ȶ_u = R_o С ln(1+2(R₁/R₂))

 

Расчет  АМ

Для расчета  АМ задается частота генератора f и тип OУ. Путем расчета схемы нужно определить значения R_o, R_1, R₂ . При расчете принимается следующее допущение

I_д ≤ 0,1 I_{вых ОУ};

I_д ≤ 2.5·10^-4 (А);

R₁ = R₂;

R₁ ≥ 5·U_{вых ОУ} / I_{вых ОУ};

R₁ ≥ 26 (кОм);

 Если допустить, что R_o= R₁, то емкость конденсатора С определим по формуле:

С = 1/(2·R₀·f·ln(1+R₁/R₂));

С = 1,39·10^-9 (Ф)=1,39 (нФ);

Далее рассчитаем рабочие мощности и напряжения на элементах:

P_Ri = 0,001625 (Вт);

U_пос ≈ U_c;

U_пос = U₁ = U_вых^(-) ·R₁/(R₁+R₂) и U_пос = U₂ = U_вых⁽⁺⁾ ·R₁/(R₁+R₂)

Отсюда

U₁ = -6,5 (В);

U₂ = 6,5 (В);

Для выбора по справочнику  радиоэлементов резисторов и конденсаторов  необходимо учитывать, что коэффициент  нагрузки элементов равен:

 

 

 

Исходя из этого

 

.

В результате расчетов получаем, что

P_Rном ≥ 0,002 (Вт)

U_Сном ≥ 8,125 (В)

 

В соответствии с расчетами выбираем из ряда Е6 справочника резисторы с фактическими значениями:

R_0ф = R_1ф = R_2ф = 33·10³ (Ом) = 33 (кОм)

 

Выбранные резисторы: МЛТ-33К-0,125

(МЛТ - металлопленочный, лакированный, теплостойкий резистор)

 

Выбираем конденсатор с фактическим значением из ряда Е6:

C_ф = 1500·10^(-12) (Ф) = 1,5 (нФ)

 

Выбранный конденсатор  имеет тип К10-17Б: К10-1Н5-50

 

Исходя из фактических  данных проведем перерасчет f_ф

f_ф  = 1/2ȶ_u

ȶ_u = R_o·С·ln(1+2·(R₁/R₂))

f_ф = 9195 (Гц)

 

 

 

5) Выполнение пункта 2 настоящего ТЗ.

Определить  форму выходного сигнала ПИ-звена  при входном сигнале типа sin с амплитудой 0.5 В и частотой 20 кГц ( k=3,3, k_i=8 c^-1).

ПИ-звено одновременно  выполняет 2 функции устройств автоматики:

1) пропорциональное усиление входного сигнала

2) формирование  на выходе сигнала, пропорционального  интегралу входного сигнала.

В результате выходной сигнал определяется выражением:

 

Исходя из данного выражения, определим форму выходного сигнала ПИ-звена

T = 1/f = 1/20000 = 0,00005 = 50 (мкс)

Входной сигнал sin(t) с амплитудой 0,5 имеет вид:

 

 

 

U_вх – пропорциональное, при коэффициенте пропорциональности k=3,3 имеет вид:

 

 

 

U_вх  – интегрирующее, при коэффициенте интегратора k_i=8 c^-1 имеет вид:

 

 

 

На выходе получаем (U_вых) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6) Список используемых источников.

1. Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники», т1 М.: Мир.1993.

2. О.В. Миловзоров, П.Г. Панков «Электроника», М., Высш. Шк., 2004.

3. А.С. Серебряков «Электротехника и электроника. Лаб. Практикум», М.: Высш.шк.,2009.

4. ГОСТ 28884-90 (МЭК  63-63) Ряды предпочтительных значений  для резисторов и конденсаторов.

5. М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Пресняков «Справочник по электрическим конденсаторам» М.: Радио и связь. 1983.