Структурная схема устройства

Структурная схема проектируемого устройства показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема устройства.

RC-авт. — RC-автогенератор;

МУ-1,МУ-2 — масштабные усилители;

Нелин. элем. — нелинейный элемент;

ПЭФ₁, ПЭФ₂ — полосовые фильтры;

вых. Ус₁, вых. Ус₂ — выходные усилители;

БП — блок питания.

Исходные колебания с частотой генерации f_г=14.5 кГц вырабатываются RC-автогенератором.

Пройдя нелинейный элемент, форма сигнала искажается, и в его спектре появляются кратные гармоники, интенсивность которых зависит от степени искажения сигнала.

Фильтры выделяют необходимые гармоники, подавляя остальные.

Для согласования элементов между собой используются масштабные усилители, которые согласуют амплитуды и обеспечивают развязку элементов по сопротивлению.

Выходной усилитель доводит сигнал на выходе до требуемого значения.

Блок питания питает активные элементы схемы.

Расчет автогенератора

В качестве задающего генератора используем схему на биполярном транзисторе с пассивной RC-цепью обратной связи (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Схема задающего генератора с пассивной

RC-цепью обратной связи Для работы схемы необходимо выполнение следующих условий:

C_р>>C.

R_i>>R_к

R_к<

Автогенератор собран на составном транзисторе VT1 — VT2 для увеличения входного сопротивления транзистора по цепи базы.

Рассчитаем RC-генератор выполненный по данной схеме (рис. 2.1), на биполярном транзисторе КТ301Д (n-p-n).

Частота генерации f_г = 14,5 кГц.

Напряжение питания U _{пит авт} = 12 В.

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи R_k =2 кОм.

В стационарном режиме автогенератора на частоте генерации ?_г = 2рf_г должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз:

.

где H_ус(?_г), H_ос(?_г) — модули передаточных функции H_ус(j?) и H_ос(j?);

ц_ус(?_г), ц_ос(?_г) — аргументы этих передаточных функций.

Для данной схемы.

Из этой формулы видно, что ц_ус(?_г) = р, значит для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный р. Это будет выполняться при равенстве нулю мнимой части знаменателя выражения H_ос(j?) :

H_ос(j?)=.

Отсюда получаем выражение для частоты генерации:

Найдем значения сопротивлений Rн и R, входящих в формулы для расчета ?_г и H_осj?).

Входное сопротивление Rн составного транзистора где в — коэффициент усиления транзистора по току (для VT1);

R_бэ2 — входное сопротивление транзистора VT2.

Для определения в и R_бэ2 нужно выбрать рабочую точку транзистора.

Для этого вначале необходимо построить проходную характеристику транзистора i_к = F (U_бэ) — зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения U_бэ. В свою очередь, исходными для построения проходной характеристики являются:

входная характеристика транзистора i_б = F (U_бэ) (рис. 2.2);

выходные характеристики транзистора i_к = F (U_кэ) (рис. 2.3).

Эти характеристики для транзисторов являются справочным материалом. На семействе выходных характеристик транзистора КТ301Д (рис. 2.3) проводим нагрузочную прямую через точки с координатами 0, Uпит = 12 В и Uпит/Rк=6 мА.

По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строится промежуточная характеристика i_к=F (i_б) (рис. 2.4). Для этих целей удобно составить таблицу:

Теперь, используя полученную зависимость (рис. 2.4) и входную характеристику i_б = F (U_бэ) (рис. 2.2), определяют требуемую зависимость iк=F (Uбэ) (рис. 2.5).

Все данные, необходимые для построения характеристики, сведём в таблицу:

По проходной характеристике определяем положение рабочей точки. Лучше всего задаться значением Uбэ0 = 0.55 В — это середина линейного участка проходной ВАХ.

Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке:

Rбэ0=ДUбэ/Iбэ=(0.6−0.5)/(0,1−0,05)=2(кОМ) Коэффициент усиления транзистора по току Я=Ik/Iб=1,7/0,05=34.

Зная R_бэ2 и в, можно рассчитать сопротивление R_н составного транзистора:

Rн=Я*Rбэ2=34*2=68 (кОМ) Определим теперь амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику S_ср = F (U_бэ).

Значения средней крутизны для разных значений U_бэ можно определить по методу 3-х ординат по формуле:

Sср=0.5*(ikmax-ikmin)/U1(бэ) где U_1(бэ)-амплитуда колебаний рабочей точки.

Снова удобно оформить все расчеты в виде таблицы:

На основании этой таблицы строим колебательную характеристику S_ср = F (U_1(бэ)). Она приведена на рис. 2.6. Для того, чтобы по колебательной характеристике определить стационарное действующее значение U_бэ необходимо предварительно рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме.

Так как (из нашей схемы).

С другой стороны, из баланса амплитуд Отсюда.

мА/В.

Определяем значение для рассчитанных значений Rн и R:

Hос (щг) == 1/24.

S*ср=12 (мА/В) Используя колебательную характеристику и зная значение средней крутизны в стационарном режиме S*ср=12 (мА/В), легко найти стационарное действующее значение напряжения U_бэ. Оно равно U_бэ = U_вх = 0,12 В. Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме можно найти из соотношения:

Uвых=Uвх*Hус (г)=0,12*24=2,88 (В).

Определим теперь значение емкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты ?_г найдем С=(6+4*R/Rн)/2**f*R=(6+4*32/68)/6.28*14,5*10і*32*10і=1 нФ.

Емкость C_р разделительного конденсатора выбирается из условия.

Cр >>C или.

Возьмем C_р = 0,5(мкФ).

Осталось только определить значение сопротивления R_б задающего рабочую точку U_бэо, I_бэо. Рассчитаем его по формуле.

Rб=(Uпит авт-2*Uбэ0)/Iб0/=(12−2*0.55)/0.8/34=463(кОМ).

На этом расчет RC-генератора можно считать законченным.