Теория электрических цепей (135796)

Посмотреть архив целиком

1.введение.

в процессе данной работы необходимо спроектировать широко распространенное в аппаратуре связи устройство, вырабатывающее так называемую “сетку частот”, то есть несколько гармонических колебаний. Подобное устройство содержит автогенератор, вырабатывающий исходное (задающее) колебание; нелинейный преобразователь, искажающий форму сигнала; набор активных фильтров, выделяющих требуемые гармоники, и масштабирующие усилители предназначенные для согласования входных и выходных сопротивлений устройств, а так же для поддержания необходимого уровня формируемого сигнала.

В качестве задающего автогенератора в работе используются схемы на биполярных транзисторах с пассивной лестничной RC-цепью обратной связи. При расчете автогенератора необходимо рассчитать: значения всех элементов схемы, амплитуду стационарного колебания на выходе генератора.

Нелинейный преобразователь строится на основе биполярных, полевых транзисторов или полупроводниковых диодах. Анализ схемы нелинейного преобразователя включает в себя аппроксимацию ВАХ нелинейного элемента и расчет спектрального состава выходного тока и напряжения.

В качестве активных фильтров используются активные полосовые RC-фильтры на основе операционных усилителях с полиномиальной аппроксимацией частотной характеристики полиномами Чебышева. Развязывающие (усилительные) устройства представляют собой масштабирующие усилители на интегральных микросхемах.


2.Расчет автогенератора.

2.1 Рекомендации по расчету автогенератора. В качестве задающего генератора в работе используются схемы на биполярном транзисторе с пассивной RC-цепью обратной связи Рис.1.





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

При расчете RC-генератора необходимо руководствоваться следующими практическими соображениями. Сопротивление нагрузки выбирается так, чтобы выполнялось условие: Rк<<R (по крайней мере на порядок, то есть в 10 раз). Поскольку это сопротивление задано, то при выполнении расчетов нужно следить за тем, чтобы вычисленные значения сопротивлений R в цепи обратной связи удовлетворяли бы указанным условиям.

Существуют рекомендации и по выбору сопротивления базы Rб: Rб>>R. Подобный выбор удобнее делать после расчета значений сопротивлений R.

Емкости конденсаторов С цепи обратной связи обычно выбирают в пределах 100пФ÷1мкФ, а величину емкости разделительного конденсатора Ср - из условия: Ср>>С.


2.2 Расчет автогенератора. RC-генератор выполнен по схеме изображенной на Рис.1, с использованием биполярного транзистора КТ301. Частота генерации fг = 100 кГц. Напряжение питания Uпит авт = 12В. Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи Rк =2 кОм.

(1)

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации ωг=2πfг должна выполняться условия баланса фаз и баланса амплитуд:

где Нусг),Носг) – модули передаточных функций Нус(jω),Нос(jω);

φусг),φосг) – аргументы передаточных функций φус(jω),φос(jω).

Для заданной схемы:

(2)

Из этой формулы видно, что φусг)=π, значит для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный π. Это будет выполняться при равенстве нулю мнимой части знаменателя выражения Нос(jω):

(3)

то есть:

Отсюда получаем выражение для частоты генерации:

Теперь можно записать что:

(5)

(4)


(6)


Найдем значения сопротивлений R и Rн, входящих в формулы для расчета ωг и Носг). Входное сопротивление Rн составного транзистора:

(7)



где β – коэффициент усиления транзистора по току (для VT1);

Rбэ2 – входное сопротивление транзистора VT2.

Для определения β и Rбэ2 нужно выбрать рабочую точку транзистора.

Для этого вначале необходимо построить проходную характеристику транзистора iк=F(uбэ) – зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного значения напряжения. В свою очередь, исходными для построения проходной характеристики являются входная характеристика транзистора iб=F(uбэ) (Рис.2) и выходные характеристики транзистора iк=F(uкэ) (Рис.3).

На семействе выходных характеристик транзистора КТ301 проводится нагрузочная прямая через точки с координатами (0,6) и (12,0). По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строится промежуточная характеристика iк=F(iб) (Рис.4). Для этих целей удобно составить Таблицу 1.

Таблица 1



iб,мкА

25

50

75

100

125

iк,мА

1,1

2,1

3,2

4,2

4,9

Затем используя полученную зависимость iк=F(iб) (Рис.4) и входную характеристику iб=F(uбэ) (Рис.2), определяем требуемую зависимость iк=F(uбэ) (Рис.5). Все данные, необходимые для построения характеристики сведем в Таблицу 2.

Таблица 2


uбэ

0,4

0,5

0,6

0,7

iб

0,02

0,05

0,1

0,18

iк

0,8

2,1

4,2

5

По проходной характеристике определим положение рабочей точки, зададимся значением Uбэ0=0,525В – это середина линейного участка проходной вольт амперной характеристики (Рис.5).


Тогда по входной ВАХ (Рис.2) транзистора определяем значение Rбэ2 в рабочей точке:


(8)


Коэффициент усиления транзистора по току:

(9)

Зная Rбэ2 и β, можно рассчитать Rн составного транзистора по формуле (7):

Из условия R>>Rк следует выбрать значение R≥10кОм. Но эту величину необходимо уточнить при дальнейшем расчете.

Определим теперь амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику Sср=F (Uбэ). Значение средней крутизны для различных значений Uбэ можно определить по методу трех ординат, формула (10):

(10)

Удобно оформить все расчеты в виде таблицы (Таблица3).



U1(бэ) В

0,125

0,25

0,375

0,5

0,625

IкmaxмА

4,7

5

5

5

5

IкminмА

1,1

0,3

0,07

0,02

0

Sср мА/В

14,4

9,4

6,57

4,98

4


На основании этой таблицы строим колебательную характеристику Sср=F(Uбэ) (Рис.6).

Для того чтобы по колебательной характеристике определить стационарное действующее значение Uбэ необходимо рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме S*ср.

Известно что Нусг)=S*срRк. С другой стороны, из баланса амплитуд получается, что Нусг)=1/Носг). Исходя из этого:

Определим значение Носг) для рассчитанных Rн и R по формуле (6) , для этого возьмем R=6 кОм:

(11)

Для этого расчетного значения Носг) средняя стационарная крутизна S*ср=14,2 мА/В (обозначена на Рис.6).


Используя колебательную характеристику и зная значение средней крутизны в стационарном режиме, легко найти стационарное действующее значение напряжения Uбэ=Uвх=0,125В. Тогда напряжение на выходе генератора стационарном режиме можно найти из соотношения:

(12)

Определим значение емкости в цепи обратной связи, из выражения для частоты ωг,, формула (5):


(12)





Емкость Ср разделительного конденсатора выбирается из условия Ср>>С или 1/ωгСр≤0,01R. Возьмем Ср=0,2 мкФ.

Осталось определить только значение сопротивления Rб, задающего рабочую точку Uбэ0, Iбэ0. Рассчитаем его по формуле:


(13)

(14)

Выбираем резистор с номиналом Rб=7,5кОм.

Расчет RC – генератора на этом можно считать законченным, ниже приведена схема RC – генератора с найденными значениями элементов (Рис.7).



3.РАСЧЕТ СПЕКТРА ЧАСТОТ НА ВЫХОДЕ НЕЛИНЕЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

3.1 Рекомендации по расчету спектра частот. Чтобы получить гармоники колебания, вырабатываемого RC - генератором, это колебание следует подать на нелинейный преобразователь. Таким образом, каскадно с генератором включается нелинейный преобразователь. Его цель – исказить гармонический сигнал так, чтобы в составе его спектра появились гармоники с достаточно большими амплитудами.

Анализ работы нелинейного преобразователя обычно проводится во временной и частотной областях. При анализе во временной области графически строится зависимость тока iвых(t) и напряжения uвых(t) на выходе нелинейного преобразователя от напряжения uвх(t) на входе, используя проходную ВАХ нелинейной цепи. Для этого выполняется аппроксимация характеристики нелинейного элемента; определяются амплитуды спектральных составляющих тока и напряжения, строится спектр амплитуд тока |iвых|=F1(ω) и напряжения |uвых|=F2(ω).

В схемах транзисторных нелинейных преобразователей конденсаторы Ср1 и Ср2 (емкостью в несколько десятков микрофарад) служат для разделения по постоянному току автогенератора, нелинейного преобразователя и фильтров.

В нелинейном преобразователе с полевым транзистором напряжение смещения подается на затвор транзистора от отдельного источника напряжения U0 через сопротивление R1.


Случайные файлы

Файл
46844.rtf
10504-1.rtf
157243.rtf
65989.rtf
124129.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.