Проектирование электронного измерительного устройства с блоком питания на основе ОУ (частотомер)

4.cdw

2.cdw

3.cdw

1 .cdw

Измерительный усилитель
Пояснительная записка
Схема принципиальная

плата.cdw

* размеры для справок
Шаг координатной сетки 5 мм
Плату изготовить методом печатного монтажа
Зазор между проводниками 4 мм
не должен превышать 0
Проводники покрыть сплавом "Розе

пояснилка моя.doc

Техническое задание4
Проектирование измерительного усилителя 7
Расчет логической части 16
Проектирование цифрового частотомера 19
Проектирование блока питания 23
Спроектировать электронное устройство в состав которого входит измерительный усилитель напряжения выходной сигнал которого подключается к одному из двух выходов устройства; устройство для измерения частоты сигнала усиливаемого усилителем; а также вторичный источник напряжения их питания. Коммутация выхода осуществляется электронным переключателем управляемым от логического блока. Если выполняется заданное логическое уравнение то выход усилителя подключается к выходу 1. Если оно не выполняется то к выходу 2. Сигналы управляющие логическим блоком имеют значения a b c d. Электронное устройство питается от промышленной сети U=220В10% 50 Гц.
Параметры усилителя:
Коэффициент усиления напряжения Ku
Рабочий диапазон температур °С
Диапазон рабочих частот Гц
Приведенный температурный дрейф нуля не более мкВград
Максимальная погрешность коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот не более %
Минимальное сопротивление нагрузки кОм
Максимально допустимое выходное сопротивление ус-ля Ом
Разрядность цифрового индикатора частоты
Уровни напряжений a b c d ;B
Напряжение питания В
Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель электрических сигналов предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.
Проектируемый усилитель имеет непосредственные связи и строится на базе интегральных ОУ. Особенностью проектирования аналоговых электронных устройств является то что одинаково правомерны различные подходы и разная последовательность проведения операций расчета. При этом требуемые характеристики могут быть получены при использовании различных структурных схем а также при других параметрах элементов в идентичных схемах.
Основной тенденцией в проектировании современных электронных устройств является широкое использование типовых электронных функциональных микроузлов - интегральных микросхем. Когда заданные в технических условиях параметры и характеристики невозможно обеспечить с помощью интегральных микросхем следует дополнить их схемами выполненными на дискретных компонентах. Экономически целесообразным может оказаться разработка специальных микросхем частного применения которые дадут возможность получить требуемых характеристики преобразования.
Выбор структурной схемы усилителя
Рисунок 1 – структурная схема
Проектирование измерительного усилителя
Чтобы усилитель обеспечивал характеристики требуемые техническим заданием его необходимо разделить на три составные части: входной каскад который будет обеспечивать требуемые входные характеристики необходимое усиление и согласовывать с источником сигнала. Промежуточный каскад обеспечивает полосу рабочих частот он состоит из полосового фильтра который будет обеспечивать нужное усиление; выходной каскад который будет задавать требуемые выходные характеристики и согласовывать с нагрузкой.
1. Проектирование входной части усилителя
В качестве операционного усилителя используется К140УД26.
Параметры этой микросхемы представлены в приложении А.
Для расчета входной части возьмем схему неинвертирующего включения операционного усилителя представленную на рисунке 2 так как она позволяет получить значение входного сопротивления с погрешностью не выше заданной обеспечивает достаточную точность и стабильность коэффициента усиления.
Рисунок 2 – входной каскад
R1=3 кОм используя номинальный ряд Е192 получим R1=301 кОм.
R2=3 кОм используя номинальный ряд Е192 получим R2=301 кОм.
R3=2 МОм используя номинальный ряд Е192 получим R3=2 МОм.
R4=5 МОм используя номинальный ряд Е192 получим R4=505 МОм.
Коэффициент обратной связи:
Используем ЛАЧХ усилителя из приложения А для оценки коэффициента усиления на граничных частотах.
Рисунок 3 – ЛАЧХ усилителя
Коэффициент усиления напряжения
По эквивалентной схеме показанной на рисунке 4 вычисляем входное сопротивление и коэффициент усиления на граничных частотах.
Рисунок 4 – эквивалентная схема
Коэффициент частотных искажений находится по формуле:
2. Проектирование выходной части усилителя
Рисунок 5 – выходной каскад
Согласно техническому заданию выходное напряжение должно быть не более 15 В. Данный параметры обеспечивает операционный усилитель К140УД10 с питающим напряжением 18 В Rвх.диф.=3 МОм.
R16=1 кОм используя номинальный ряд Е192 получим R16=1 кОм;
R17=5 кОм используя номинальный ряд Е192 получим R17=505 кОм;
R18=1 МОм используя номинальный ряд Е192 получим R18=1 МОм;
R19=6 МОм используя номинальный ряд Е192 получим R19=604 МОм;
Используем ЛАЧХ усилителя из приложения Б для оценки коэффициента усиления на граничных частотах.
Рисунок 6 – ЛАЧХ усилителя
3.Проектирование промежуточной части.
Рисунок 7 – промежуточная часть
Промежуточная часть состоит из одного активного полосно-пропускающего фильтра с полосой пропускания 300..10000 Гц и трех усилителей построенных на микросхеме К140УД26.
Полосно-пропускающий фильтр:
Используя номинальный ряд Е192 примем R5=590 Ом С1=2 мкФ С2=10 нФ R6=15 кОм.
Выбираем коэффициенты усиления для промежуточной части: Ku1=25 Ku2=25 Ku3=25.
Примем R7=3 кОм R8=75 кОм . Используя ряд сопротивлений Е192 получим R7=301 кОм R8=75 кОм R9=291 кОм.
Примем R10=21 кОм R11=52 кОм . Используя ряд сопротивлений Е192 получим R10=21 кОм R11=75 кОм R12=203 кОм.
Примем R13=2 кОм R14=50 кОм . Используя ряд сопротивлений Е192 получим R13=2 кОм R14=505 кОм R15=193 кОм.
Расчет логической части
Логическая часть должна обеспечить коммутацию измерительного усилителя напряжение с входом 1 если выполняется логическое уравнение если оно не выполняется то со входом 2.
Логическая часть состоит:
)Делителей напряжения
1 Расчет логического блока
Логический блок данного прибора решает логическое уравнение вида:
Составляем схему логического блока который будет решать это уравнение.
Рисунок 8 – логический блок
Сигналы на входах имеют потенциал 0 В и 15 В. На каждый вход логического блока ставим делитель напряжения для того чтобы получить на входе напряжение 5 В.
По справочнику подбираем микросхемы подходящей серии. В качестве элемента ИЛИ используется 3 элемента ИЛИ микросхемы К155ЛЛ1 в качестве элемента И – 1 элемент И микросхемы К155ЛИ1. Электрические параметры указаны в приложении В Г соответственно.
2. Расчет делителя напряжения
Нужно спроектировать делитель напряжения для сигналов abcd. Уровни логической единицы этих сигналов 15 В.
Для правильной работы микросхемы К155ЛЛ1 и К155ЛИ1 использованных в логическом блоке нам надо иметь напряжения U = 5 В.
Рисунок 9 – делитель напряжения
На вход подаётся напряжение Uвх= 15 В то напряжение на выходе будет сниматься с резистора R22 и будет равно Uвых= 5 В;
Возьмём общее сопротивление резисторов равным 500 кОм (R22 + R23 =500 кОм) тогда ток протекающий через все сопротивления при входном напряжении будет равен:
Падение напряжения на резисторе R22 равно U2 = 5 В тогда падение напряжения на резисторе R23 равно U1 = 15-5 = 10 В
Исходя из падений напряжений на каждом резисторе найдём номиналы этих резисторов:
Выберем номинал резистора R23 из ряда Е192 равный 336 кОМ.
Выберем номинал резистора R22 из ряда Е192 равный 167 кОм
Подобный делитель следует поставить для всех сигналов abcd.
3. Электронный аналоговый ключ
Электронные аналоговые ключи широко используются в электронике для осуществления передачи аналоговой информации от одного блока к другим.
Основными параметрами ключа являются
Iком- коммутирующий ток т.е. ток протекающий по открытому каналу ключа;
Uком – коммутируемое напряжение т.е. максимально допустимое напряжение прикладываемое между входом и выходом аналогового ключа;
Rотк – сопротивление ключа в открытом состоянии;
tвкл – время переключения ключа.
Исходя из параметров разрабатываемого прибора применим микросхему аналогового ключа КР590КН9. Характеристики аналогового ключа КР590КН9 приведены в приложении
Рисунок 10 - Физическая модель
Рисунок 11 - Условное обозначение
Рисунок 12 – электронный аналоговый ключ
Проектирование цифрового частотомера
По техническому заданию необходимо разработать частотомер измеряющий частоту в полосе заданных частот (300–10000 Гц) с погрешностью в 1 Гц.
Структурная схема построения цифрового частотомера выглядит следующим образом:
Рисунок 13 – структура частотомера
)Преобразователь формы сигнала (формирователь импульсного напряжения).
Рисунок 14 – преобразователь формы сигнала
Предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Построен на ОУ К140УД26 с включенным в цепь обратной связи диодом и стабилитроном. Диод КД522А убирает отрицательную волну стабилитрон Д808 ограничивает положительную. Также используется триггер Шмитта К155ТЛ2.
Рисунок 15 - Временные диаграммы
R17= 25 кОм R18= 2 кОм.
Резистор R18 используется для предотвращения перегорания.
)Генератор образцовой частоты.
Рисунок 16 – генератор образцовой частоты
Выполнен на кварцевом резонаторе. Использована микросхема К155ИЕ5.
R30 = 22 МОм R31 =560 кОм ZQ1 = 32768 Гц С3 = 62 нФ С4 = 22 нФ.
Электрические параметры корпус микросхемы показаны в приложении Д.
Рисунок 17 – схема управления
Схема управления реализована на микросхеме К555ИЕ5 состоит из двух частей: один триггер (одноразрядный счетчик) со входом С1 и выходом 0 Q и три триггера (трехразрядный счетчик) со входом С2 и выходами 1 Q 2 Q 3 Q). Оба счетчика двоичные первый из них считает до двух а второй до 8. При объединении выхода 0 Q микросхемы со входом С2 получается 4-х разрядный двоичный счетчик считающий до 16. Счет производится по отрицательному фронту входного сигнала С1 и С2. Сбрасывается счетчик в нуль по сигналам 1 R и 2 R объединенным по функции И. При объединении счетчиков для увеличения разрядности (каскадировании) необходимо выход 3 Q предыдущего счетчика (выдающего более младшие разряды) соединить со входом С1 следующего счетчика (выдающего более старшие разряды).
К выходу счетчика подключаем схему выделяющую импульсы длительностью 1 секунда далее сигнал поступает на электронный ключ.
Время индикации 5 секунд. Следовательно на 7 импульсе должна включаться цепь сброса при Q0=1 Q1=1 Q2=1 Q3=0.
Электронный ключ необходим для обеспечения режимов счета и индикации. В качестве него используем логический элемент И. ( Микросхема К155ЛИ1).
Рисунок 18 – счетчик импульсов
В качестве счетчика используется микросхема К176ИЕ3. Установка в нуль осуществляется подачей сигнала логической единицы на входR. Переключение счетчика происходит по спаду положительных импульсов на входе С. Микросхема имеет выход переноса р (вывод 2) к которому подключается обычно вход следующего счетчика. Спад напряжения на этом выходе формируется в момент перехода счетчика из состояния 9 в состояние 0.
В качестве индикатора используем АЛС-348.
)R–C–цепочка. Предназначена для подачи на вход R СДИ кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора. Время разряда конденсатора t должно быть гораздо меньше по сравнению с величиной 1fв=000001 с. Зададим t=000001 с. Так как t=R×C R зададим 10 кОм тогда С=1 нФ.
Рисунок 19 – R-C-цепочка
Проектирование блока питания
Блок питания питается от промышленной сети ( 220В 50 Гц ) и обеспечивает соответствующими напряжениями питания все блоки устройства ( +18В -18В +5В +9В +15В -15В ). Ниже приведена таблица энергопотребления всех используемых блоков.
Исходя из этих параметров выберем трансформатор ТА31-127220-50 с номинальной мощностью 36 Вт с номинальным током в первичных обмотках 035A. На рисунке 17 представлена структурная схема броневого трансформатора рассчитанная на подключение к сети напряжением 220 В. Это напряжение подается на выводы 2 и 9.
Рисунок 20 - трансформатор
В качестве выпрямителя будем использовать диодный мост КД208А.
Для стабилизации напряжений питания использованы следующие элементы:
Uпит1 = +15 В – микросхема КР1157ЕН8Б ( Iн ma
Uпит2 = –15 В – микросхема КР1168ЕН15 (Iн ma
Uпит3 = +9 В – микросхема КР142ЕН8Г (Iн ma
Uпит4 = +5 В – микросхема КР1157ЕН5В (Iпотр=025 А);
Uпит5 = +18 В – микросхема КР1157ЕН9В (Ima
Uпит6 = -18 В – микросхема КР1162ЕН9А (Ima
Номиналы конденсаторов C5 – C10 задаются по 10 мкФ а конденсаторов C11-C16=01 мкФ.
FU1 - Предохранитель ADAGIO 12460 A.
Схема трансформатора представлена на рисунке 21.
Рисунок 21 – блок питания
В данном курсовом проекте был рассчитан по параметрам и спроектирован усилитель измерительный с устройством измерения частоты и блоком питания отвечающий заданным параметрам технического задания.
Для защиты от скачка тока в блок питания был введен предохранитель.
Схемное решение усилителя было реализовано на интегральных операционных усилителях что не вызвало особых затруднений при проектировании.
В качестве устройства измерения частоты был применен частотомер электронно-счетный. Он основан на подсчете числа импульсов измеряемого сигнала. Данный частотомер может работать в режиме счетчика импульсов.
В.Г. Гусев Ю.М. Гусев «Электроника и микропроцессорная техника» Москва 2004г.
В.Г. Борисов А.С. Партин. Практикум радиолюбителя по цифровой технике. – М.: Патриот МП «Символ-Р» 1991- 144с.
Авербух В.Д. и др. - Операционные усилители и компараторы 2001.
Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. 2-е изд. испр. – М.: Издательский дом «Додэка-12» 2007. – 528 с.
В.Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы справочник. 1987.
0УД26 - широкополосный прецизионный усилитель со сверхнизким значением входного напряжения шума и высоким коэффициентом усиления напряжения. Внутренняя частотная коррекция отсутствует. Предназначен для построения малошумящих широкополосных схем с большим коэффициентом усиления. Корпус К140УД26 - типа 2108.8-1.
Предельно допустимые режимы эксплуатации
Входное синфазное напряжение
Сопротивление нагрузки
Температура окружающей среды
Микросхема представляет собой четыре логических элемента 2ИЛИ. Корпус К155ЛЛ1 типа 201.14-1 масса не более 1 г и у КМ155ЛЛ1 типа 201.14-8 масса не более 22 г.
Условное графическое обозначение
- напряжение питания;
Электрические параметры
Номинальное напряжение питания
Выходное напряжение низкого уровня
Выходное напряжение высокого уровня
Входной ток низкого уровня
Входной ток высокого уровня
Входной пробивной ток
Ток потребления при низком уровне выходного напряжения
Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения
Потребляемая статическая мощность на один логический элемент
Время задержки распространения при включении
Время задержки распространения при выключении
Напряжение на антизвонном диоде
Ток короткого замыкания
Потребляемая статическая мощность
Микросхема К176ИЕ5 представляет собой 15-разрядный двоичный счётчик - генератор секундных импульсов. Микросхема К176ИЕ5 была разработана специально для работы в схемах электронных часов но находит применение и в других устройствах.
К выводам 9 и 10 подключается кварцевый резонатор частотой f. Типовая частота 32768Гц (215 Гц). Возможно подключение резонатора 16384Гц или внешнего источника импульсов. На буферных выходах 11 и 12 присутствует тактовая частота f.
На выводе 1 формирется частота f28 (64Гц). При соединении выводов 1 и 2 на вход второго счётчика подается частота f28 а на его выходах формируются импульсы: вывод 4 - f214 (2Гц) вывод 5 - f215(1Гц). Вывод 3 - установка счётчика в "0".
Условное обозначение К176ИЕ5:
Назначение выводов К176ИЕ5:
Основные параметры К176ИЕ5:
Выходное напряжение "0
Выходное напряжение "1
Ток потребления (статический Uпит=5В)
Типовое время задержки
Внутренняя структура К176ИЕ5:
Типовая схема включения К176ИЕ5:
Микросхема К555ИЕ5 является четырехразрядным асинхронным двоичным счетчиком. Состоит из счетного триггера (вход С1 и выход Q0) работающего по mod2 (делящего сигнал на 2) и трех последовательно соединенных триггеров (вход С2) работающих по mod8 с асинхронной потенциальной установкой нулевого состояния значением сигнала . Функциональная схема и условное изображение счетчика К555ИЕ5 и цоколевка приведены на рисунке
Трансформатор ТА-31-127220-50
Ток первичной обмотки: 03502 А
Таб.1. Электрические параметры трансформатора ТA31
Трансформаторы ТA31 на 220 В выпускаются начиная с 1979 г. они имеют одну первичную обмотку и такую же нумерацию выводов как у трансформаторов на 127220 В.
Электрические параметры габаритные и установочные размеры а также масса трансформаторов ТA31 на 220 В такие же как у соответствующих трансформаторов ТA31 на 127220 В.
Напряжение на отводах первичных обмоток трансформаторов ТA31 на 127220 В:
между выводами 1 и 2 6 и 7 - 110 В;
между выводами 2 и 3 7 и 8 - 10 В;
между выводами 3 и 4 8 и 9 - 7 В;
между выводами 4 и 5 9 и 10 - 7 В.
При использовании трансформаторов ТA31-127220 на 127 В необходимо:
соединить выводы 1 и 6 4 и 9 при этом первичные обмотки 1-6 и 4-9 соединяются параллельно;
подать напряжение 127 В на выводы 1 и 4.
При использовании трансформаторов ТA31-127220 на 220 В необходимо:
соединить выводы 2 и 6;
подать напряжение 220 В на выводы 1 и 8.
Рис1. Электрическая принципиальная схема анодного трансформатора ТA31 на 50 Гц 127220 В
Рис2. Электрическая принципиальная схема анодного трансформатора ТA31 на 50 Гц 220 В
В трансформаторах ТA31 возможно последовательное и параллельное согласное соединение вторичных обмоток. Последовательное включение различных вторичных обмоток позволяет подобрать необходимое выходное напряжение параллельное - повысить мощность на выходных обмотках. При последовательном включении обмоток с разными допустимыми токами ток через обмотки не должен превышать минимально допустимого. Параллельное соединение допускается только для тех обмоток напряжение на зажимах которых одинаковы.
Стабилизаторы напряжения
Микросхемы стабилизаторов напряжения широкого использования
Внешний вид С стабилизаторов
Список наиболее распостранённых на отечественном рынке тривыводных стабилизаторов напряжения на фиксированое входное напряжение и их основные параметры

принципиальная схема на сдачу предварительная.cdw

Усилитель с частотомером
Схема принципиальная
Обозначение на чертеже

монтажка.cdw

* размеры для справок
Монтаж выполнить согласно 1206.313150.000 Э3
Припой ПОС 61 ГОСТ 21931-76
Маркировка элементов показана условно

Структурная схема.cdw

Усилитель с частотомером
Измерительный усилитель напряжения