Техническое задание

Широкополосный синусоидальный генератор должен удовлетворять следующим требованиям:

• схема должна работать в агрессивных условиях при колебаниях температуры от –40 до +35 градусов Цельсия

• схема должна быть дешёвой и надёжной

• Схема должна выдерживать вибрации порядка 3gс мак пиковой величиной до 6gпри импульсе длительностью 20 мс.

• Надёжно работать при напряжении питания 6В ± 5%

Анализ технического задания и постановка задач проектирования

Проведем анализ технического задания на изготовление широкополосного синусоидального генератора, рабочее напряжение не превышает 6В, эксплуатировать в нормальных климатических условиях, надёжность не ниже 0,04, нанесение печатных проводников электрохимическим способом, материал для печатного проводника медь, наличие звуковой индикации, электрическая принципиальная схема приведена в приложении 1.

Генератор случайных чисел должен иметь небольшие габариты, в качестве батареи питания использовать блок питания, преобразующий сетевое переменное напряжение в постоянное напряжение питания 6В. Печатные проводники медные и нанесены электрохимическим способом, при этом удельное сопротивление печатного проводника составляет 0,02Ом*м. Прибор будет эксплуатироваться при агрессивных климатических условиях и перепадах температур.

В данном параграфе выявлены свойства и состав печатного проводника и способ нанесения его на печатную плату, выявлены условия эксплуатации, номинальное входное напряжение и параметры надёжности схемы.

Конструкторский анализ электрической принципиальной схемы (э3)

Схема электрическая принципиальная приведена в приложении 1, рассмотрим её работу в качестве генератора качающейся частоты.

Его отличительной особенностью является широкий диапазон генерируемых частот, стабильность амплитуды во всем диапазоне, высокое качество формы генерируемого синусоидального сигнала. Генератор имеет только один переключатель для переключения в режим качания частоты с периодом 100 Гц или в режим ручной перестройки. Границы качания частоты и ширину полосы можно задавать плавно в пределах всего рабочего диапазона. Выход согласован с 75-омной линией. Генератор прост в изготовлении и настройке.

В основе работы прибора лежит широко известный способ получения низкочастотных колебаний путем перемножения частот двух высокочастотных генераторов, один из которых расстраивается по частоте относительно другого. Для того чтобы получить и высокую стабильность по частоте, и широкий диапазон частот одновременно, используется цифровая микросхема КР531ГГ1. Эта микросхема представляет собой два независимых мультивибратора-автогенератора, частота колебаний которых управляется напряжением. Максимальная частота генерации достигает 60 МГц, причем форма колебаний на выходе микросхемы близка к меандру, т.е. нечетные гармоники отсутствуют. В качестве частотозадающего элемента допускается использование конденсатора либо пьезоэлектрического резонатора. Последнее и использовано в схеме. Эта микросхема позволяет получить широкий диапазон перестройки по частоте вниз от частоты кварцевого резонатора за счет увеличения эквивалентного затухания в цепи резонатора по мере снижения частоты колебаний.

В качестве перемножителя (смесителя) использован двойной балансный смеситель К174ПС1. Применение этой микросхемы позволило получить на выходе синусоидальный сигнал с минимальными искажениями. Это объясняется тем, что она почти идеально реализует функцию перемножения входных сигналов. Еще одной особенностью этой микросхемы является то, что используемый в ней двойной балансный смеситель подавляет прямое прохождение входных перемножаемых сигналов на выход, поэтому фильтрация высокочастотных составляющих в выходном сигнале, обусловленных прямым прохождением, существенно упрощается.

На микросхеме DD1, которая представляет собой два D-триггера, собран генератор прямоугольных импульсов, следующих с частотой 100 Гц. Первый триггер работает в качестве задающего мультивибратора, и частота импульсов на его инверсном выходе 2 определяется параметрами цепочек C2R3 и C3R4. Диод VD1 и резистор R5 установлены для того, чтобы конденсатор C3 разряжался быстрее, чем заряжается C2 – это необходимо для нормальной работы триггера в качестве мультивибратора. Второй триггер выполняет функции ждущего мультивибратора, длительность импульсов которого задается параметрами элементов C1R2. С выхода 12 второго триггера импульсы с частотой 100 Гц подаются на базу транзистора VT4 через резистор R14 и на выход S, через защитный резистор R26 для синхронизации осциллографа в режиме качания частоты, а с выхода 13 импульсы инверсной полярности поступают на формирователь пилообразного напряжения на транзисторе VT1. линейно спадающее пилообразное напряжение формируется при заряде емкости C4 постоянным током. Постоянство тока заряда обеспечивается за счет отрицательной обратной связи по напряжению, которая создается самой емкостью C4. Размах пилообразного напряжения на коллекторе VT1 равен напряжению питания схемы минус напряжение насыщения коллектор-эмиттер этого транзистора, которое в данном случае имеет величину порядка 150…200 мВ. Через регулятор на транзисторах VT2, VT3 и фильтр R11C5 пилообразное напряжение поступает на вход управления частотой описанного выше перестраиваемого окварцованного ВЧ-генератора на микросхеме DD2. Резистор R8 предназначен для плавной установки частоты в ручном режиме. Резисторами R9, R10 осуществляется установка границ диапазона изменения частоты. В зависимости от величины управляющего напряжения частота на выходе генератора изменяется от 18 до 13,5 МГц. Этот ВЧ-сигнал с вывода 10 через резистор R12 попадает на ключ VT4, который отключает его на время обратного хода пилообразного напряжения. В режиме ручной установки частоты переключатели S1.1, S1.2 замыкаются, при этом на выводе 12 микросхемы DD1 устанавливается низкий уровень напряжения, а на выводе 13 – высокий. Транзистор VT4 запирается, и сигнал с выхода микросхемы DD2 проходит беспрепятственно на НЧ-фильтр R12R13C12. Генераторы КР531ГГ1 имеют возможность выключения генерации, однако ею воспользоваться невозможно в связи с тем, что из-за высокой добротности кварцевого резонатора амплитуда на выходе после включения нарастает слишком плавно, что заметно на экране осциллографа, и искажает результаты измерений в режиме качания частоты.

Смеситель и неперестраиваемый окварцованный ВЧ-генератор на фиксированную частоту 18 МГц собраны на микросхеме DD3. На ее дифференциальный вход 8 подается отфильтрованное от гармоник напряжение перестраиваемого ВЧ-генератора, а с выхода 2 снимается напряжение разностной частоты. Основной вклад в ВЧ-гармоники выходного сигнала дают первая и вторая гармоники неперестраиваемого генератора на 18 МГц, поэтому они отфильтровываются последовательными резонансными контурами L1C18 и L2C19, настроенными на частоты 18 и 36 МГц соответственно. Дальнейшая фильтрация сигнала осуществляется фильтром Баттерворта второго порядка с частотой среза 7,5 МГц на элементах L3, C20 и R18. Для развязки фильтров использованы эмиттерные повторители на транзисторах VT5, VT6; цепочка R20C21 предназначена для коррекции АЧХ в области верхних частот. Усилитель тока на транзисторах VT7, VT8 обеспечивает работу прибора на нагрузку 75 Ом.

Этот прибор удобно использовать совместно с частотомером, но можно производить измерение частоты грубо при помощи осциллографа. Для работы с генератором в режиме качания частоты выполняются действия в следующей последовательности:

1. Переключателем S1 установить режим ручной перестройки частоты.

2. Резисторы R8 и R9 установить в верхнее по схеме положение.

3. Резистором R10 выбрать нижний предел частоты качания.

4. Резистором R9 выбрать верхний предел частоты качания.

5. Переключателем S1 установить режим качания частоты.

Для точной установки частоты и ее плавной регулировки резистором R8 при работе в режиме ручной перестройки частоты необходимо выполнить указанную выше последовательность действий, за исключением пункта 5.