673_Raschet_analogovykh_i_diskretnykh_ustrojstv_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

Ю. В. Рясный Е. В. Дежина Ю. С. Черных М. С. Чашков С. Л. Ремизов

РАСЧЕТ

АНАЛОГОВЫХ И ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию

Новосибирск

2016

УДК 621.377.4.001.24.(075.8)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент канд. техн. наук, доц. С.С. Абрамов

Рясный Ю. В., Дежина Е. В., Черных Ю. С., Чашков М. С., Ремизов С. Л.,

Расчет аналоговых и дискретных устройств электрических цепей : Учебнометодическое пособие к курсовому проектированию / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 46 с.

В учебно-методическом пособии к курсовому проектированию по дисциплинам «Теория электрических цепей» и «Основы теории цепей» приведены краткие теоретические сведения и пример расчета дискретного фильтра и его характеристик, даны необходимые справочные материалы для проведения расчетов и указания по оформлению работы.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки направлениям: 210400 «Телекоммуникация»; 210700 «Информационные технологии и системы связи»; 090320 «Информационная безопасность информационных систем».

Кафедра теории электрических цепей (ТЭЦ)

©Рясный Ю.В., Дежина Е.В., Черных Ю.С., Чашков М.С., Ремизов С.Л., 2016 ©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсовой работы является систематизация и закрепление знаний, полученных при изучении курса теории цепей.

В процессе самостоятельной работы студенты должны спроектировать дискретный фильтр, выделяющий одну из гармоник, полученных на выходе нелинейного преобразователя.

Устройство, которое необходимо разработать, содержит как аналоговую, так и дискретную части. Его структурная схема приведена на рисунке 1.

Блок питания

Электронный

ключ

fд

аналоговая часть

Рис. 1. Структурная схема устройства

Аналоговая часть схемы содержит автогенератор, вырабатывающий исходное (задающее) колебание; нелинейный преобразователь, искажающий форму сигнала; масштабирующий усилитель для согласования автогенератора и нелинейного преобразователя по уровню сигнала, входному и выходному сопротивлениям, а также блок питания. Дискретная часть схемы представляет собой БИХ-фильтр четвертого порядка.

В помощь студентам в настоящих методических указаниях приведены необходимые справочные материалы, рекомендации по расчету, а также ссылки на соответствующие разделы в учебной литературе.

Курсовая работа оформляется на листах формата А4. Работа должна содержать необходимые расчеты с пояснительными графиками и схемами и функциональную схему устройства. Все формулы представляются сначала в буквенном виде и только после этого в численных значениях с указанием единиц измерения конечных результатов.

Все формулы, таблицы, рисунки должны быть пронумерованы. Расчетные значения конденсаторов и резисторов следует округлять до

стандартных величин, предусмотренных ГОСТом. Графическая часть должна выполняться с соблюдением требований ЕСКД.

3

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать дискретный фильтр, выделяющий гармоническое колебание заданной частоты из сигнала на выходе нелинейного преобразователя и удовлетворяющий условиям, указанным в таблице 1.

Табл. 1.1. Технические требования к устройству

4

2.МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ

2.1.Расчет автогенератора

Вкачестве задающего генератора в работе используются схемы на биполярном транзисторе с пассивной RC-цепью обратной связи (рис. 3.1). Однако по согласованию с преподавателем может быть выбрана любая из известных схем автогенераторов на полевых транзисторах, операционных усилителях (ОУ), либо схемы с колебательными контурами. При этом в пояснительной записке желательно привести обоснование принятого решения.

Теория автоколебательных цепей изложена в [1-3]. Исходными данными для расчета задающего генератора являются:

- тип схемы; - тип активного элемента (биполярный транзистор – для схем рис. 3.1);

- напряжение питания Uпит авт;

- сопротивление Rк авт в коллекторной цепи биполярного транзистора.

Автогенератор собран на составном транзисторе VT1 - VT2 для увеличения входного сопротивления транзисторного каскада.

При расчете RС-генератора необходимо руководствоваться следующими практическими соображениями. Сопротивление нагрузки выбирается так, что-

бы выполнялось условие: Rк авт R (по меньшей мере, на порядок, т.е. 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 100 пФ 1 мкФ, а величину емкости разделительного конденсатора Ср -

из условия: Cр С . В пояснительной записке нужно обосновать применение

такого разделительного конденсатора.

В отличие от напряжения питания активного элемента (биполярного транзистора), которое можно найти в исходных данных к работе, напряжение смещения uбэ0, задающее положение рабочей точки на проходной вольтампер-

ной характеристике (ВАХ) транзистора iк F uбэ , выбирается студентами

самостоятельно. Если это не оговорено особо, то рабочую точку лучше всего выбрать в середине линейного участка проходной ВАХ.

Расчет генератора считается законченным, если:

-определены значения всех элементов схемы, найдена амплитуда стационарного колебания на выходе генератора;

-приведена полная схема задающего генератора.

5

Необходимые справочные данные для расчета приведены в разделе 3 (табл. 3.1 и 3.2, рис. 3.1).

В таблице 3.1 использованы обозначения:

Hус j – комплексная передаточная функция цепи прямой связи (т.е.

активного усилительного элемента);

Sср – средняя крутизна ВАХ активного элемента генератора;

– сопротивление в коллекторной цепи биполярного транзистора;

Ri – внутреннее сопротивление активного элемента;

Hос j – комплексная передаточная функция цепи обратной связи;

R – сопротивление в цепи обратной связи; С – ёмкость в цепи обратной связи;

Rн – входное сопротивление составного транзистора.

Для получения комплексной передаточной функции Hус j транзистор

был заменен упрощенной эквивалентной схемой, т.е. активный элемент был представлен источником тока, управляемым напряжением (ИТУН) (рис. 2.1). Передаточные функции Hос j для цепей обратной связи легко находятся известными из теории электрических цепей методами.

Рис. 2.1. Эквивалентная схема звена усиления

При пользовании формулой для Hус j следует иметь в виду, что

обычно Ri Rк авт . Этот факт позволяет упростить формулу:

В таблице 3.2 приведены входные и выходные характеристики некоторых транзисторов.

ПРИМЕР РАСЧЕТА: Рассчитать RС-генератор (рис. 3.1а). Тип транзистора 2Т658А.

Частота генерации fг 10кГц

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепиRк авт 1кОм

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации

6

г 2 fг должны выполняться условия баланса амплитуд и фаз:

где Hус г , Hос г – модули передаточных функций Hус j (уси-

лительного элемента), Hос j (цепи обратной связи), соответственно;

ус г , ос г – аргументы этих передаточных функций.

Для заданной схемы:

Из формулы 2.1 видно, что ус г , значит для выполнения условия

баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный. Это будет выполнено при равенстве нулю мнимой части знаменателя выражения Hос j из табл. 3.1:

Отсюда получаем выражение для частоты генерации:

Теперь можно записать, что:

Для схемы, приведенной на рис. 3.1б, также можно получить выражение для частоты генерации:

и коэффициента передачи цепи обратной связи на частоте генерации:

Найдём значения сопротивлений Rн и R, входящих в 2.5, 2.6 для расчёта

г и Hос( г).

Входное сопротивление Rн составного транзистора:

где – коэффициент усиления транзистора по току (для VT1); Rбэ2 – входное сопротивление транзистора VT2.

Для определения и Rбэ2 нужно выбрать рабочую точку транзистора. Для этого вначале необходимо построить проходную характеристику

транзистора iк F uбэ – зависимость значения тока в выходной цепи от вход-

ного напряжения uбэ . В свою очередь, исходными для построения проходной характеристики являются:

– входная характеристика транзистора iб F uбэ (рис.2.2);

– выходная характеристика транзистора iк F uкэ (рис.2.3).

Эти и подобные им характеристики для разных типов транзисторов являются справочным материалом и приведены в настоящем пособии в разделе 3, табл. 3.2. На семействе выходных характеристик используемого транзистора 2Т658А (рис. 2.3) проводится нагрузочная прямая через точки с координатами:

iб,мA

1,5

1,0

0,5

0uбэ, В

0,1 0,2 0,3

Рис. 2.2. Входная характеристика транзистора

iк , мА

20

iб 0,1мA

16

12

8

iб

4

0

5 10 15 20 25 uкэ, В

Рис. 2.3. Выходные характеристики транзистора

8

По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строим промежуточную характеристику iк F uбэ . Для этих целей удобно составить таблицу:

Табл. 2.1 Промежуточная характеристика транзистора

9

Табл. 2.2. Проходная характеристика транзистора

По проходной характеристики определяют положение рабочей точки. Лучше всего задаться значением uбэ0 0,2 В– это середина линейного участка проходной ВАХ, изображенной на рисунке 2.5.

Определим входное сопротивление составного транзистора Rн , являющееся нагрузкой для звена обратной связи.

Сначала по входной ВАХ транзистора определяют динамическое входное сопротивление транзистора VT2 в рабочей точке:

Затем определим коэффициент усиления транзистора по току:

Зная Rбэ2 и , по формуле 2.9 можно рассчитать сопротивление Rн составного транзистора:

Rн Rбэ2 20 0,2 4 кОм.

Величину сопротивления R выбирают из условия R Rк авт. Зададим первоначально R 10 Rк авт 10кОм. Но эту величину необходимо уточнить при дальнейшем расчёте.

Определим амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику – зависимость средней крутизны проходной характеристики Sср от амплитуды напряжения обратной свя-

зи um бэ: Sср F um бэ .

Значение средней крутизны для разных значений uбэ можно определить по формуле:

10