Частотомер

Спецификация-3.cdw

Блок питания.cdw

Усилитель-ПП.cdw

наличие металлизации
Технические требования:
) плату изготовить методом печатного монтажа
не должен превышать 0
) зазор между резисторами - 2
) расстояние между конденсаторами и прочими элементами - 2

Курсовой.doc

Техническое задание2
Выбор структурной схемы4
Проектирование измерительного усилителя
1. Входная часть 5–6
2. Промежуточная часть 7–8
3. Выходная часть 9–10
4. Расчет разделительных R-C цепочек 11
5. Расчет дополнительного фазового сдвига 11–12
Проектирование частотомера 13–16
Проектирование блока питания 17
Список использованной литературы 21
Разработать измерительный усилитель с источником питания и устройством измерения частоты входного сигнала
Коэффициент усиления по напряжению
Нижняя граница диапазона частот Гц
Верхняя граница диапазона частот кГц
Минимальное сопротивление нагрузки Ом
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот на х.х. не более %
Дополнительная погрешность коэффициента усиления при подключении R н min не более %
Максимальное входное напряжение В
Максимальное выходное напряжение В
Входное сопротивление в полосе рабочих частот кОм
Погрешность входного сопротивления не более %
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот не более град
Рабочий диапазон температур °С
Погрешность дискретности встроенного цифрового частотомера Гц
Время индикации частоты с
Напряжение питания В
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
Если в техническом задании на проектирование содержатся специальные требования относящиеся к входной или выходной цепям то данные требования легче всего удовлетворить в том случае когда в структуре усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения требуемых параметров является введение цепей обратной связи то входная и выходная части могут представлять собой самостоятельные усилители охваченных местной обратной связью. Это простейшее решение с точки зрения проектирования и настройки.
Так как произведение коэффициентов усиления входной и выходной частей обычно меньше требуемого то между ними вводится промежуточная часть – она обеспечивает получение необходимого коэффициента усиления и представляет собой электронный усилитель.
Структурную схему усилителя можно представить следующим образом:
где 158 – линейные сравнивающие (вычитающие) устройства;
9 – электронные усилители;
10 – цепи обратной связи;
– разделительная цепь не пропускающая постоянную составляющую.
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВХОДНОЙ ЧАСТИ УСИЛИТЕЛЯ
Для входной части усилителя выберем схему в которой сигнал подается на инвертирующий вход (рис. 2) так как эта схема обеспечивает несколько лучшие результаты с точки зрения точности получения определенного значения коэффициента усиления его стабильности а также обеспечения устойчивости. В качестве ОУ на котором строится входная часть выберем 140УД26 электрические параметры которого обозначены в приложении I.
В данной схеме входное сопротивление определяется резистором R1 следовательно его значение R1=200 кОм. Оценим допустимое изменение входного сопротивление:
Найдем допустимые значения сопротивления резистора R2 исходя из того что изменение коэффициента усиления ОУ в заданной полосе частот не изменяет значение R2(1+Kyu(jw)) более чем на 600 Ом:
Из ЛАЧХ ОУ 140УД26 найдем значение коэффицента усиления на граничных частотах: Kyu(jwв)=60 дБ=1000; Kyu(jwн)=106 дБ=1995622 и подставив их в (1) найдем что R2603628.4104 Ом
Зададим для входной части коэффициент усиления равный 1 тогда R2=R1=200 кОм
Резистор R3 вводится для уменьшения дифференциального постоянного сигнала подавляющегося на входе микросхемы при температурных изменениях токов: =100 кОм.
Определим погрешность входного сопротивления:
Zвх=R1+==200000.3 Ом
Рассчитаем коэффициент частотных искажений:
=05 – глубина обратной связи
Kyu(wср)=12589 Kyu(wв)=1000
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ
Согласно техническому заданию коэффициент усиления по напряжению у проектируемого усилителя должен быть 800. Так как коэффициенты входной и выходной частей равны 1 то все усиление падает на промежуточную часть. Чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления возьмем 3 каскада на ОУ 140УД26 (рис. 3) с коэффициентами усиления KK1=8 KK2=10 KK3=10. Разбиение промежуточной части на каскады целесообразно для уменьшения погрешности усиления и коэффициента частотных искажений.
Усилительные каскады выполняют так чтобы входное сопротивление последующего каскада было во много раз больше предыдущего; таким образом последующий каскад оказывает минимальное влияние на параметры предыдущего. Для ОУ 140УД26 минимальное сопротивление нагрузки 2 кОм; исходя из этого условия и опираясь на номинальный ряд сопротивлений и учитывая требуемые усиления для каждого каскада подберем резисторы.
Для первого каскада:
R1=10 кОм; R4=R1× KK1=80 кОм; R7=R1R8=91 кОм
Для второго каскада:
R2=15 кОм; R5=R2× KK2=150 кОм; R8=R2R5=1363 кОм
Для третьего каскада:
R3=15 кОм; R6=R3× KK3=150 кОм; R9=R3R6=1363 кОм
Для коэффициента усиления равного 8:
Для коэффициента усиления равного 10:
Mв.пром=M2в.пром1×Mв.пром2=1008282×10071157=10238625
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫХОДНОЙ ЧАСТИ УСИЛИТЕЛЯ
Для получения выходного напряжения меньше 15 В при подключении нагрузки Rн=300 Ом нужно взять мощную микросхему выходной ток которой больше 005 А. Этому условию удовлетворяет микросхема 157УД1 электрические параметры которой приведены в приложении II. Входной сигнал подаем на инвертирующий вход.
Из условия нормальной нагрузки предыдущего ОУ140УД26 резистор R1 возьмем равный 10 кОм. Рассчитаем дополнительную погрешность коэффициента усиления при подключении Rн.min. Расчет проведем по эквивалентной схеме (рис. 5).
Rвых. ОУ=100 ОмRвых==008731
dKy=(DUE)×100%===0.02909% 1% что удовлетворяет техническому заданию.
g=1 так как ОУ работает в режиме повторителя напряжения.
Коэффициент частотных искажений всего усилителя на верхней граничной частоте:
Mв=Mв.вх×Mв.пром× Mв.вых= 10238625×100184×10009205= =100266905%101 % что удовлетворяет техническому заданию
4. РАСЧЕТ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ R-C ЦЕПОЧЕК
Чтобы определить R и С по рис.6 будем опираться на значение нижней граничной частоты так как срез в полосе низких частот зависит от конденсатора.
Зададим R=10 кОм тогда с=1мкФ. Возьмем емкость конденсатора с запасом: с=2 мкФ.
Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:
=1.003161 где Kпроп=1
5. РАСЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ФАЗОВОГО СДВИГА.
Из графика видно что фазовый сдвиг равен 800° так как lg20000»43 а согласно принципу периодичности 80° что удовлетворяет техническому заданию так как дополнительный фазовый сдвиг не должен превышать 100°.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ЧАСТОТОМЕРА.
По техническому заданию необходимо разработать частотомер измеряющий частоту в полосе заданных частот (100–20000 Гц) с погрешностью в 1 Гц.
Структурная схема построения цифрового частотомера выглядит следующим образом:
) М – мультивибратор (генератор напряжения прямоугольной формы) построенный на интегральном таймере К1006ВИ1 (рис. 8).
В этой схеме включения конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения U2=2×UП:3 а разряжается через резистор R1 до напряжения U2=UП:3.
Длительность зарядки конденсатора t1=0.693×(R1+R2)×C1 а длительность разряда конденсатора t2=0.693×R2×C1. Так как время индикации больше времени счета то за время индикации примем t1 за время счета – t2 а на выходе мультивибратора поставим инвертор.
Возьмем C1=3.3 мкФ R2=330 кОм R1=560 кОм. Тогда t1= 2.035 с t2=1089 с.
) Г – генератор высокочастотных импульсов (1 МГц) с высокой стабильностью частоты. Выполнен на кварцевом резонаторе (рис. 9).
) Т – RS-триггер K561ТМ2.
) f106 – шесть каскадов делителей частоты на 10 (микросхема К176ИЕ2).
) Ф – формирователь образцовых интервалов времени (рис. 10). Предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Построен на триггере Шмитта (К561ТЛ1) ОУ140УД26 стабилитроне Д808 и диоде КД522А.
) СДИ – микросхема К490ИП1 – счетчик дешифратор индикатор. В частотомере используется 4 таких микросхемы так как верхняя частота диапазона – 20000 Гц а погрешность дискретности по техническому заданию равна 1 Гц.
) 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=000005 с. Зададим t=0000001 с. Так как t=R×C R зададим 1 кОм тогда С=1 нФ.
Временные диаграммы работы частотомера (рис. 11):
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ
Источник электропитания должен обеспечить питание усилителя и частотомера для аналоговых микросхем ОУ 140УД26 и 157УД1 +15 В и –15 В для счетчиков и мультивибратора +9 В для индикаторов +5 В.
Суммарный потребляемый ток данных микросхем и нагрузки усилителя Iпотр=130 мА. Исходя из этого параметра выберем трансформатор ТПП226–127220–50 мощностью 55 Вт×А напряжением вторичных обмоток 20 В 20 В и 396 В номинальным током во вторичных обмотках 0.63 A.
Для выпрямления напряжения питания будем использовать:
– для Uпит1=+15 В – микросхему К142ЕН8;
– для Uпит2=–15 В – микросхему К142ЕН11;
– для Uпит3=+9 В – стабилитрон КС190Г (Iст=10 мА);
– для Uпит4=+5 В – стабилитрон КС156А (Iст=5 мА);
Определим номиналы сопротивлений R1 и R2:
R2===400 Ом (из номинального ряда – 390 Ом).
Конденсаторы C1–C4 возьмем по 100 мкФ.
В ходе данной курсовой работы был спроектирован измерительный усилитель по всем параметрам отвечающий требованиям технического задания а также разработаны частотомер и блок питания.
В частотомере были использованы микросхемы на комплиментарных МОП-транзисторах что уменьшило его энергопотребление и быстродействие.
Можно сделать вывод что проектировать и создавать рабочие схемные решения на интегральных операционных усилителях значительно проще чем эквивалентные им схемы на дискретных компонентах.
При проектировании не была учтена экономическая часть что может отразиться на высокой стоимости разработанных блоков.
Электрические параметры и ЛАЧХ ОУ 140УД26:
Кyu=106 – коэффициент усиления по напряжению
f1=20 МГц – частота единичного усиления
Rн.min=2 кОм – минимальное сопротивление нагрузки
Uвых=12 В – максимальное выходное напряжение
Uпит=15 В – напряжение питания
Iпотр=47 мА – ток потребления
Uсм=25 мкВ – напряжение смещения
Электрические параметры и ЛАЧХ ОУ 157УД1:
Кyu=5×104 – коэффициент усиления по напряжению
f1=0.5 МГц – частота единичного усиления
Iвых.max=0.4 A – максимальный выходной ток
Iпотр=9 мА – ток потребления
Uсм=5 мВ – напряжение смещения
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
) Аксенов А.И. Нефедов А.В. справочник «Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы» (М. «Радио и связь» 1995).
) Алексенко А.Г. Галицын А.А. и др. «Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах» (М. «Радио и связь» 1984).
) Гусев В.Г. Гусев Ю.М. «Электроника» (М. «Высшая школа» 1991).
) Гусев В.Г. Мулик А.В. «Аналоговые измерительные устройства: учебное пособие» (Уфа УГАТУ 1996).
) Перебаскин А.В. Бахметьев А.А. и др. «Интегральные микросхемы. Операционные усилители» справочник том 1 (М. «Физико-математическая литература» 1993)
) Хоровиц П. Хилл У. «Искусство схемотехники» в 2 томах (М. «Мир» 1985).

Спецификация-2.cdw

Спецификация.cdw

Частотомер.cdw

Усилитель-СМ.cdw

Усилитель-1.cdw