چكيده :

گزارشي كه پيش روي داريد ؛ گزارش پروژة كارشناسي با موضوع طراحي و ساخت فانكشن ژنراتور است . كه به منظور استفادة عملي از مطالب تئوري و نحوة ارتقاء دستگاههاي آزمايشگاهي استفاده شده ، انتخاب شده است . اين طراحي و ساخت به دو فرم كلي و كاملاً متفاوت- يكي از اين دو فرم تكنولوژي استفاده شده درآي سي Max038 را به كار گرفته- انجام گرفته است .

ولي به دليل محدوديت بازار ايران ، و موجود نبودن اين آي سي در بازار ، طرح دومي بكمك گرفتن از قطعات پاية مورد استفاده در اين آي سي صورت گرفته است .

ولي متأسفانه استفاده از قطعات جداگانه در مدار باعث پايين آمدن ماكزيمم فركانس ، در خروجي امواج شده است.

كلمات كليدي: Duty Cycle ـ Offset ـ آستابل ـ انتگرال‌گير ميلر

فهرست مطالب

 

عنوان صفحه

 

چكيده ................................................................................................................. 4

كلمات كليدي.......................................................................................................... 4

 

مقدمه ................................................................................................................. 6

 

فصل اول – فرم نهايي مدار با استفاده از آي سي هاي پايه و قطعات آنالوگ

1-1- مدار توليد موج مربعي با فركانس و duty cycle متغير ودامنة ثابت ....................................... 15

1-2- مدار مبدل موج مربعي به مثلثي ............................................................................ 20

1-3- مدار مبدل موج مثلثي به سينوسي .......................................................................... 23

1-4- بخش تغييرات دامنه .......................................................................................... 25

 

فصل دوم – فرم نهايي با استفاده از آي سيMAX038 و قطعات آنالوگ

2-1- مشخصات آي سي ............................................................................................ 27

2-2- فرم نهايي و مقادير قطعات اصلي ............................................................................... 31

 

نتيجه گيري .....................................................................................................

پيوست‌ها.........................................................................................................

پيوست 1: اطلاعات فني Max038....................................................................

پيوست 2: اطلاعات فني تايمر LM555...........................................................

پيوست 3: اطلاعات فني آي‌سي 7414HC.......................................................

پيوست 4: اطلاعات فني آي‌سي CA3140.......................................................

 

فهرست منابع ...........................................................................................................

Abstract...........................................................................................................

Keywords........................................................................................................

فهرست اشكال

 

 

 

فصل اول...........................................................................................................

شكل 1-1: طرح مدار با آپ آمپ‌ها و ترانزيستورها....................................................................

شكل 1-2: طرح بلوك دياگرامي مدار..................................................................................

شكل 1-3: مدار آستابل با 555.......................................................................................

شكل 1-4: مدار براي بدست آوردن خروج مثلثي......................................................................

شكل 1-5: مدار براي بدست آوردن خروجي سينوسي................................................................

شكل 1-6: خروجي بخش مبدل مثلثي به سينوسي.....................................................................

شكل 1-7: بلوك دياگرام بخش‌هاي اصلي مدار.........................................................................

شكل 1-8: بلوك دياگرام توليد موج مربعي.............................................................................

شكل 1-9: مقادير ارائه شده براي مدار آستابل با 555................................................................

شكل 1-10: مقادير ارائه شده براي مبدل مربعي به مثلثي..............................................................

شكل 1-11: مقادير ارائه شده براي مبدل مثلثي به سينوسي...........................................................

شكل 1-12: خروجي سينوسي .......................................................................................

شكل 1-13: مدار بخش تغييرات دامنه..................................................................................

شكل 1-14: شكل نهايي مدار ........................................................................................

 

فصل دوم..........................................................................................................

شكل 2-1: فرم آي‌سي و پايه‌ها........................................................................................

شكل 2-2: نمودار بلوكي عملياتي آي‌سي 8038.......................................................................

شكل 2-3: فرم كلي مدار مولد شكل موج 8038.....................................................................

شكل 2-4: خروجي‌هاي آي‌سي Max038..........................................................................

شكل 2-5: شماي داخلي آي‌سي و المان‌هاي مورد نياز ................................................................

شكل 2-6: شكل نمونه براي توليد موج سينوسي ......................................................................

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه :

 

براي طراحي مدار فانكشن ژنراتور از مطالعه كتابهاي تكنيك پالس و مرور شيوه توليد امواج مختلف شروع كرديم .

با مطالعة مدارهاي پايه و شيوة توليد و كنترلي امواج مختلف به دنبال ساده‌تر كردن بخش هاي مختلف و يا استفاده از تكنولوژيهاي مختلف براي بالا بردن سطح فركانس امواج كاهش اعوجاج موجود در امواج خروجي ؛ با استفاده از جستجو در سايت هاي مختلف الكترونيك و محصولات كارخانه هاي مختلف ؛ تصميم به استفاده از آي سي Max038 - توليد كارخانة ماكسيم – گرفتيم كه در ميان آي سي هاي موجود داراي بالاترين فركانس و كمترين اعوجاج بود ويژگيهايي خاص داشت كه در بخش دوم اين فصل به طراحي مدار و بررسي اين ويژگيها پرداخته شده است .

به دليل عملي نبودن اين مدار – موجود نبودن آي سي مربوط – سعي در طراحي مدار با استفاده از مدارهاي پايه داشتيم كه ساخت مدارنهايي با توجه به اين طرح صورت گرفته است .

بنابراين به دليل ساخت علمي اين مدار بوسيلة فرم ساخت ، قطعات پايه ؛ اين فرم در فصل اول و فرم ساخت با آي سي در فصل دوم بررسي خواهد شد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمات توليد امواج با استفاده از دو طرح مختلف :

دو طرحي كه در ادامه بررسي مي شوند ؛ مي توانند به طور جداگانه در توليد امواج سه گانة سينوسي ، مثلثي و مربعي به كار گرفته شوند . توضيحات ارائه شده در اين دو طرح ، فقط به منظور آشنايي با مطالب پايه و مرور روشهاي توليد موج است و در طرح نهايي مدار پروژه از قوانين بنيادي توليد اين امواج استفاده شده است .

 

1) طرح ارائه شده با آپ امپ ها و ترانزيستورها :

 

 

شكل (1-1)

مدار ما از سه بخش تقويت كننده، بافر و انتگرال گير كه با شماره هاي 1 ,2 , 3 مشخص شده اند تشكيل شده است . براي تحليل مدار ودرك نحوة كاركرد آن ابتدا فرض مي كنيم ، در لحظة اول آپ امپ شمارة 1 در حالت اشباع مثبت باشد . با در نظر گرفتن حالت اشباع مثبت آپ امپ 1 ؛ خروجي آن در مقدار تقريبي +Vcc خواهد بود كه اين باعث روشن شدن ترانزيستورپاييني و هدايت ولتاژ U_m– به ورودي پاية مثبت آپ امپ 2 مي شود .

آپ امپ 2 به عنوان يك بافر عمل كرده و ولتاژ V_m را به خروجي خود مي برد باعث ايجاد جريان I₁ در مقاومت R شده و شروع به شارژ خازن مي كند .

شارژ خازن تا جايي ادامه مي يابد كه ولتاژ خروجي ما با مقدار ولتاژ برابر شود با رسيدن Vo به اين مقدار آپ امپ 1 به حالت اشباع منفي رفته و ترانزيستور روشن به عوض خواهد شد ( ترانزيستور بالايي روشن شده ) و ولتاژ ايجاد شده باعث دشارژ خازن مي شود و اين امر تا جايي كه ولتاژ خروجي به Vcc برسد ادامه پيدا مي كند .

شارژ و دشارژ خازن باعث ايجاد موج مثلثي با دامنه ثابت بين مي شود كه به دليل ثابت بودن جريان I₁ و خطي بودن آن ؛ موج كاملاً مثلثي لست .

با توجه به توضيحات داده شده مي بينيم كه مدار در دو مقدار كار مي كند كه اين دو مقدار در خروجي هاي مختلف متفاوت است . بناراين در خروجي آپ امپ 1 و يا ورودي و خروجي آپ امپ 2 بسته به دامنة موج مورد نظر ؛ موج مربعي خواهيم داشت ، تا بحال توانسته ايم با اين مدار دوموج مربعي و مثلثي را بدست آوريم .

براي بدست آوردن موج سينوسي ؛با بافر كردن ، خروجي مثلثي آن را به يك مدار مبدل مثلثي به سينوسي مي دهيم تا موج مثلثي بدست آوريم .

اين مدار براي توليد موج ثابت ؛ مناسب است ، براي تغييرات دامنه با توجه به رابطة بايد بتوانيم R₁ و R₂را كه تنها متغييرهاي مفيد هستند تغيير دهيم .

با بدست آوردن رابطة فركانس مدار با مقاومت ها و ولتاژ هاي موجود : مي بينيم كه با تغيير مقاومت هاي R₁ وR₂ فركانس ما نيز متغير بوده و فركانس با تغييرات دامنه تغيير خواهد كرد.

البته مي توان به نسبت تغييرات را طوري انتخاب كرد كه اثر تغييرات R₁ وR₂ از بين برود ولي جواب آخر ما مقدار دقيق نبوده و شكل موج ها واضح نخواهند بود . بنابراين با توجه به اين ضعف مدار از طراحي به اين شكل صرفنظر كرده و به طراحي مدار به فرم زير پرداختيم .

 

(2 طراح ارائه شده با استفاده از آي سي 555 :

 

طرح بلوك دياگرامي :

 

 

 

شكل (1-2)

 

طرح فوق ، طرح بلوك دياگرامي مدار طراحي شده با استفاده از تايمر 555 را كه براي تشكيل پالس مربعي به كار گرفته شده است نشان مي هد . كه هر يك از بخش هاي مختلف بلوك دياگرام در ادامه به صورت مداري بررسي خواهد شد و در گزارش بعدي مدار با مقادير دقيق قطعات ارائه مي شود .

خروجي آستابل با 555 پالس مربعي با فركانس و duty cyele متغير ولي دامنة ثابت خواهد بود كه براي تغييرات دامنه پس از ساختن تمام مدار بخش تقسيم مقاومتي براي كوچك و بزرگ كردن دامنه در نظر خواهيم گرفت كه در صورت استفاده از دكمة تغييرات دامنه با سوئيچ كردن و اتصال اين بخش به مدار تغييرات در خروجي ؛ مدار ما تكميل مي شود .

مدار استابل با 555 و همراه با تغييرات فركانس و duty cycle .

 

شكل 1-3

با توجه به مدار فوق و با توجه به مدارات داخلي تايمر 555 ؛ كاركرد مدار از طريق شارژ C5صورت مي گيرد.

با تغييرات پتانسيومتر مي توانيم duty cycle مدار را تغيير دهيم و با استفاده از مقاومت R₁ و يا خازن C₅ مي توانيم تغييرات كوچكي در فركانس مدار ايجاد كنيم.

و با استفاده از4 خازن موازي استفاده شده در مدار ، مي توانيم بازة فركانس رابا توجه به مقادير انتخاب شده براي خازن ها تغيير دهيم .

با اتصال خروجي اين مدار – كه از پاية 3 اين آي سي گرفته مي شود – به ورودي يك انتگرالگير ، خروجي مثلثي بدست خواهيم آورد :

 

 

شكل 1-4

با توجه به ثابت بودن ولتاژ اهمي به جريان بدست آمده از طريق آن (I₁) ،در حالت شارژ و دشارژ خازن ثابت است بنابراين موج مثلثي به دست آمده شيب ثابت خواهد داشت .

با استفاده از دو مدار گذشته ؛ پالس هاي مربعي و مثلثي را بدست آوريم و حال مي توانيم با كمك گرفتن از مدار زير و پالس مثلثي مي توانيم پالس سينوسي بدست آوريم .

 

 

شكل 1-5

فرض مي كنيم با اعمال پالس مثلثي به مدار و با توجه به فرض ؛ مدار را تحليل مي كنيم .

با افزايش ولتاژ و رسيدن آن به ولتاژ ديود 1 قطع شده و باعث مي شود كه مقاومت از مدار حذف شود و اين باعث تغيير شيب دامنة خروجي مي شود؛ اين روند همين طور ادامه پيدا مي كند تا جاييكه مقدار به برسد ، شكل زير نتيجة اين عمليات را نشان مي دهد .

براي بدست آوردن موج سينوسي با شكل موج قابل قبول ؛ سه تركيب ديودي كافيست ولي با افزايش اين ديودها دقت مدار افزايش پيدا مي كند .

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1-6

با توجه به مطالب گفته شده در بخش 1-1 ؛ به كار طراحي مدار از طراحي بلوك دياگرامي – براي سادگي بررسي مدار –شروع مي كنيم .

با توجه به بلوك دياگرام ارائه شده در زير مي بينيم كه كار طراحي از توليد موج مربعي شروع شده و با تبديل آن به مثلثي و سپس سينوسي ادامه پيدا مي‌كند .

تمام اين امواج ، موجهايي با فركانس متغيير و دامنة ثابت هستند كه خروجي هر سه به يك مدار تغيير دامنه وارد مي شود :

 

 

 

 

 

 

بلوك دياگرام ( شكل 1-7 )

 

با توجه به بلوك دياگرام فوق چهار بخش اصلي در مدار تشخيص داده مي‌شود ؛ كار را با بررسي هرمك از اين چهار بخش شروع مي كنيم :

1-1- مدار توليد موج مربعي با فركانس و duty cycle متغير و دامنة ثابت :

براي توليد پالس مربعي مدارهاي مختلفي وجود دارد كه ما در اين پروژه از مدار آستابل با كمك تايمر 555استفاده كرده ايم . با توجه به دياگرام تايمر 555 مي توان طرز كار اين آي سي را بررسي كرده و دليل داشتن خروجي پالس را فهميد .

 

 

 

 

 

 

بلوك دياگرام ( شكل 1-8 )

اين تايمر از يك شبكه تقسيم ولتاژ ؛ دو مقايسه كنندة ولتاژ ، يك فيليپ فلاپ R-S ، يك طبقة خروجي وارونساز و دو ترانزيستور تشكيل شده است .

شبكة تقسيم ولتاژ ، باياس پايانة منفي مقايسه كننده 1 و پايانة مثبت مقايسه كننده 2 را فراهم مي كند. دو پايانة ديگر اين مقايسه كننده ها به پايه هاي 2 و 6 ، موسوم به تريگر و آستانه متصل اند .

خروجي مقايسه كننده ها فيليپ فلاپ را كنترل مي كنند و خروجي فيليپ فلاپ به طبقة خروجي و بيس ترانزيستور Q₁ متصل است. هنگام بالا بودن خروجي فيلپ فلاپ ، ترانزيستور Q₁ روشن مي شود . كار اين ترانزيستور تخلية خازن متصل به پايانة 7 است . هنگام پايين بودن خروجي ، فيلپ فلاپ Q₁ خاموش است . طبقة خروجي باعث مي شود كه مقاومت خروجي مدار پايين باشد و همچنين خروجي فيليپ فلاپ را وارون مي كند .

هنگام بالا بودن ولتاژ خروجي فيليپ فلاپ ، ولتاژ پايانه 3 ، پايين خواهد بود و بر عكس پايانة خروجي مي تواند حداكثر 200 ميلي آمپر جريان بدهد يا بگيرد .

ترانزيستور Q_{3 ،}pnp است . اهميت اين ترانزيستور به يك ولتاژ مرجع V_Ref ، كه از V_CC كوچكتر است وصل است . اگر پايانه reset به Vcc وصل شود ،اتصال بيس – اميتر در با ياس معكوس است ، Q₂ خاموش مي ماند . هنگامي كه ولتاژ پايانة 4 به زير ولتاژ V_REF مي رسد ، Q₂ روشن مي شود . كه در اين صورت Q₁ روشن مي شود ، خروجي پايانة 3 به ولتاژ زمين مي رسد و فيلپ فلاپ reset مي شود ، يعني خروجي آن بالا مي رود.

حالا با داشتن اطلاعات فوق از 555 و با توجه به ديتاشيت ارائه شده در ضميمة پروژه ، از خاصيت آستابل تايمر 555 براي توليد پالس مربعي استفاده مي كنيم .

 

 

شكل 1-9

هنگامي كه ولتاژ خازن C_A كمتر از مي شود ، ولتاژ ورودي منفي مقايسه كنندة 2 كمتر از ولتاژ ورودي مثبت آن مي شود . در نتيجه خروجي مقايسه كننده 2 بالا رفته و فيليپ فلاپ را ست مي كند ، در حالت ست ، خروجي فيليپ فلاپ پايين است . Q₁ خاموش و C_A از طريق R₁ و R₂ شارژ مي شود .

با شارژ شدن C_a وقتي ولتاژ خازن به مي رسد ، ولتاژ ورودي مثبت مقايسه كننده 1 از ولتاژ ورودي منفي آن بزرگتر مي شود . خروجي مقايسه كنندة 1 بالا مي رود و فيليپ فلاپ را rseet مي كند ، خروجي فليپ فلاپ بالا مي رود و ترانزيستور Q₁ را روشن مي كند . حال Q1 خازن C_A را از طريق مقاومت R₂ تخليه مي كند .

عمل تخليه تا آنجا ادامه مي يابد كه ولتاژ C_A به برسد . در اين موقع خروجي مقايسه كننده 2 بالا مي رود ، فليپ فلاپ ست شود ، Q ₁ را خاموش مي‌كند . اين سيكل دوباره شروع و تكرار مي شود .

بنابراين در طراحي آستابل 555 بايد را محاسبه كرد . براي محاسبة اين سه مقدار ؛ مي دانيم كه I_c بايد از جريان تريگر و جريان آستانه ، بسيار بزرگتر باشد و خازن C₀ كه به پايه 5 متصل است معمولاً دست. بنابراين براي محاسبةپريود هر پالس خروجي داريم :

براي راحتي كار و برابري مقادير كه جزوفرض هاست – از يك پتانسيومتر دوبل استاده كرديم تا تغييرات R₁ و R₂ برابر باشند .

فرض

اگر بخواهيم مدار هم duty cycle متغير خوب داشته باشد و هم تغييرات فركانسي خوب بايد تعداد C_A ها را زياد كنيم .

براي زياد نشدن تعداد C_A ها بهتر است از مقادير براي مقاومت هاي R₁ و R₂ و RM استفاده كنيم بنابراين خواهيم داشت :

يعني تغييرات duty cyele در بدترين حالت يا 20% خواهد بود . پس براي مدار توليد پالس مربعي از سه پتانسيومتر استفاده مي كنيم .

 

محاسبة خازن ها :

 

 

100K-1M

10K-100K

1K-10K

100-1K

10-100

 

براي داشتن موج مربعي دقيق و بدون اعواجاج در خروجي بهتر است از يك Not اشميت تريگر استفاده كنيم .

1-2-مدار مبدل موج مربعي به مثلثي :

براي توليدموج مثلثي از مداري بر اساس انتگرال گير ميلر استفاده مي كنيم .

 

شكل 1-10

در اين نوع انتگرال گير ، با استفاده از اثر ميلر يك شيب خطي ايجاد مي شود و عملكرد آن به صورت زير است :

جريان خازن C₁ توسط موج مربعي ورودي تأمين مي شود ، ورودي مثبت آپ امپ توسط مقاومت R₂ ( كه با R₁ برابر است ) زمين شده وبه همين دليل ورودي منفي هم ولتاژي نزديك به صفر خواهد داشت . پس ولتاژ روي R₁ افتاده ( ورودي ) و جريان ثابت () ايجاد مي كند.

اگر جريان با ياس ورودي تقويت كننده خيلي كوچكتر از I₁ باشد ،كل جريان از خازن C₁ خواهد گذشت . اگر ورودي مثبت باشد ، I₁ گذرنده از خازن ، ولتاژي بر روي آن ايجاد مي كند ( با علامت مثبت در سمت چپ ) در اين حالت ولتاژ خروجي منفي خواهد بود .

اگر روي منفي باشد ، جريان ايجاد شده از راست به چپ خازن خواهد گذشت و خروجي ولتاژي مثبت خواهد بود و چون I₁ ثابت ( مثبت يا منفي ) است و تمام آن از خازن C₁ مي گذرد ، خازن به طور خطي پر مي شود و ولتاژ آن به طور خطي تغيير مي كند در نتيجة آن شيب مثبت يا منفي بوجود مي آيد .

ولتاژ منفي ورودي ، شيب خروجي مثبت ايجاد خواهد كرد و بالعكس.

مثاومت R₃ براي كاهش آفست خروجي قرار داده مي شود و با تغيير آن اين انحراف ولتاژ را مي توان مينيمم كرد ؛ عيب آن اثرش بر عملكرد انتگرال گير در فركانس هاي پايين مي باشد.

اگر فركانس آنقدر كم باشد كه امپدانس C₁ از امپدانس ₃R بزرگتر شود ، اثر خازن كم شده و مدار به صورت انتگرال گير عمل نمي كند .

با توجه به مطالب گفته شده ، مقادير خازن هاي مورد استفاده در اين انتگرال‌گير را بدست مي آوريم :

 

در بدترين حالت بايد باشد و به ازاء يك t مينيمم ايجاد شود .

فركانس

و به همين ترتيب خواهيم داشت :

فركانس 100^K

فركانس 10^K

فركانس 1^K

فركانس 100^HZ

فركانس 10^HZ

براي داشتن موج مثلثي بدون اعواجاج وخوب در خروجي ،درهر يك از اين بازه ها ، مقاومت R₄ را تركيبي از 10K سري با100^K متغيير قرار مي دهيم تا با تغيير 100^K در هر بازه موج مناسب و خوبي داشته باشيم .