Проектирование частотомера

Спецификация 2.cdw

Спецификация 3.cdw

Курсовая.doc

Проектирование измерительного устройства
Расчет логической части
Проектирование цифрового частотомера
Проектирование блока питания
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 %
Минимально сопротивление нагрузки МОм
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 140УД22.
Параметры этой микросхемы представлены в приложении А.
Для расчета входной части возьмем схему инвертирующего 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.
Сравнивая амплитуду входного сигнала с напряжением смещения ОУ следует что напряжение смещения незначительно влияет на входной сигнал.
Входное сопротивление схемы определяется резистором R1 следовательно R1 должно равняться 1МОм используя номинальный ряд Е192 получим R1=1МОм.
Рисунок 2 – входной каскад
Примем R2=1 МОм для того что бы получить единичный коэффициент усиления.
Резистор R3 введен для уменьшения дифференциального постоянного сигнала который появляется на входе микросхемы при температурном изменении токов.
из ряда номиналов Е192 R3=499 кОм.
Так как усилитель инвертирующий то коэффициент усиления равен
Используем ЛАЧХ усилителя из приложения А для оценки коэффициента усиления на граничных частотах.
Рисунок 3 – ЛАЧХ усилителя
Kyu(10000) = 1996 = 66 дБ
Kyu(300) = 100000 = 100 дБ
Оценим погрешность KU входной части в рабочем диапазоне частот.
K1(60) = -099998; K1(2000) = -099899;.
2. Проектирование выходной части усилителя
Рисунок 4 – выходной каскад
Согласно техническому заданию выходное напряжение должно быть не более 14 В. Данный параметры обеспечивает операционный усилитель OP37 с питающим напряжением 20 В.
Возьмем R11=550 кОм R10=11 кОм
Из таблицы номиналов E192 возьмем R6=11 кОм
Рисунок 5 – ЛАЧХ усилителя
Kyu(300) = 794330 = 118 дБ
Kyu(10000) = 50120 = 94 дБ
K4(60) = -499996; K4(2000) = -49994;.
3. Проектирование промежуточной части.
Рисунок 6 – промежуточная часть
Промежуточная часть состоит из одного активного полосно-пропускающего фильтра с полосой пропускания 300..10000 Гц и двух усилителях построенных на микросхеме 140УД22.
Примем R4=5 кОм тогда из таблицы номиналов возьмем С1=264 нФ.
Примем R5= 500 кОм тогда из таблицы номиналов возьмем С2=158 пФ.
K2(60) = -9997; K2(2000) =-98502;.
Из таблицы номиналов E192 возьмем R6=5 кОм
Возьмем R7=10 кОм R8=600 кОм:
K3(300) = -59899; K3(10000) = -598502;.
Из таблицы номиналов E192 возьмем R9=10 кОм
Максимальная погрешность коэффициента усиления тока в рабочем диапазоне частот не более 5% то есть техническое требование выполняется
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 7 – логический блок
Составим таблицу истинности данного логического блока:
Таким образом только в десяти случаях из 16 возможных на выходе логического блока получается сигнал 1 во всех остальных случаях на выходе будет низкий уровень. Сигналы на входах имеют потенциал 0 В и 10 В. Цифровую часть можно построить на ЛЭ семейства ТТЛ для используемых серий микросхем данного семейства низкий уровень имеет напряжение не более 04 В а высокий - более 24 В. На каждый вход логического блока ставим делитель напряжения для того чтобы получить на входе напряжение 24 В.
По справочнику подбираем микросхемы подходящей серии. В качестве элемента И-НЕ используется 5 элементов И-НЕ микросхемы К555ЛА3.
Характеристики микросхемы К555ЛА3:
ФункциональностьИ-НЕ
Номинальное напряжение питания5
Выходное напряжение низкого уровня0.4
Выходное напряжение высокого уровня2.7
Входной ток низкого уровня0.4
Входной ток высокого уровня0.02
Ток потребления мА11.5
Диапазон рабочих температур гр. С-10 +70
2. Расчет делителя напряжения
Нужно спроектировать делитель напряжения для сигналов abcd. Уровни логической единицы этих сигналов 30 В.
Для правильной работы микросхем К155ЛА3 использованных в логическом блоке нам надо иметь напряжения U = 24 В.
Рисунок 8 – делитель напряжения
На вход подаётся напряжение Uвх= 15 В то напряжение на выходе будет сниматься с резистора R19 и будет равно Uвых= 24 В;
Возьмём общее сопротивление резисторов равным 500 кОм (R18 + R19 =500 кОм) тогда ток протекающий через все сопротивления при входном напряжении будет равен:
Падение напряжения на резисторе R19 равно U2 = 24 В тогда падение напряжения на резисторе R18 равно U1 = 15-24 = 126 В
Исходя из падений напряжений на каждом резисторе найдём номиналы этих резисторов:
Выберем номинал резистора R18 из ряда Е192 параметры которого:
Выберем номинал резистора R19 из ряда Е192 параметры которого:
Подобный делитель следует поставить для всех сигналов abcd.
3. Электронный аналоговый ключ
Электронный аналоговый ключ широко используется в электронике для осуществления передачи аналоговой информации от одного блока к другому. Исходя из параметров разрабатываемого прибора применяем микросхему аналогового ключа КР590КН9 который имеет следующие характеристики: tвкл.=500нс;
На рисунке представлены схемное обозначение и упрощенная физическая модель микросхемы КР590КН9.
Рисунок 9 – коммутатор
Пока на вход Uупр подается сигнал низкого уровня КМОП-транзистор закрыт сопротивление канала высокое при подачи на вход напряжение высокого уровня то транзистор открывается сопротивление понижается и ток утечки течет через него.
На входы 4 и 5 подаются входные аналоговые сигналы которые снимаются с выходов 3 и 6 соответственно. На входы 10 и 15 подаются сигналы управления ключами. К выводам 11 и 13 подводятся напряжения питания ±15 В соответственно. Вывод 14 подключается к общему приводу схемы прибора.
Схема включения ключа:
Рисунок 10 – включение коммутатора
В качестве элемента И-НЕ используем один элемент с микросхемы К155ЛА3.
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:
) М – мультивибратор (генератор напряжения прямоугольной формы) построенный на интегральном таймере К1006ВИ1 (рис. 12).
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. 13).
) Т – RS-триггер K561ТМ2.
) f106 – шесть каскадов делителей частоты на 10 (микросхема К176ИЕ2).
) Ф – формирователь образцовых интервалов времени (рис. 14). 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 5 таких микросхемы так как верхняя частота диапазона – 10000 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. 15):
Блок питания питается от промышленной сети ( 220В 50 Гц ) и обеспечивает соответствующими напряжениями питания все блоки устройства ( +5В +9В +15В -15В ). Ниже приведена таблица энергопотребления всех используемых блоков.
Для 5В: I потр. = 52мА Р = 260 мВт; для 15В: I потр. = 282 мА Р = 40425 мВт; для 9В: I потр. = 15052 мА Р = 1352 мВт
Исходя из этих параметров выберем трансформатор ТПП201 ШЛ 12×16; 127220–50 мощностью 165 Вт×А с номинальным током во вторичных обмотках 029 A. На рис. 14 представлена структурная схема броневого трансформатора рассчитанная на подключение к сети напряжением 220 В. Это напряжение подается на выводы 2 и 9.
Рисунок 15 - трансформатор
В качестве выпрямителя будем использовать диодный мост КД208А.
Для стабилизации напряжений питания использованы следующие элементы:
Uпит1 = +15 В – микросхема К142ЕН8;
Uпит2 = –15 В – микросхема К142ЕН11;
Uпит3 = +9 В – стабилитрон КС539Г (Iст=17 мА);
Uпит4 = +5 В – стабилитрон Д816Б (Iст=180 мА);
Определим номиналы сопротивлений R1 и R2:
Согласно номинальному ряду Е24: R1 = 620 Ом; R2 = 820 Ом.
Номиналы конденсаторов C1=C2 задаются по 10 мкФ а конденсаторов C3=C4=01 мкФ.
Схема трансформатора представлена на рисунке 13.
Рисунок 16 – блок питания
В.Г. Гусев Ю.М. Гусев «Электроника и микропроцессорная техника» Москва 2004г.
В.Г. Гусев А.В. Мулик «Аналоговые измерительные устройства» Уфа 1996г.
А.В.Перебаскин «Интегральные схемы: Операционные усилители. Том1.» М.:1993г.
Н.Н Акимов Е.П. Ващуков «Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутационные устройства РЭА» Минск 1994г.
0УД22 - операционный усилитель с хорошо согласованной парой полевых транзисторов на входе внутренней частотной коррекцией и высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Корпус К140УД22 типа 301.8-2 К140УД2201 - типа 3101.8-1 КР140УД22 - типа 2101.8-1.
Электрическая схема
Типовые рабочие характеристики
Электрические параметры при Uп= 15 В Rн= 2к Т=25 ° C
Напряжение питания 15 В 10%
Максимальное выходное напряжениене менее 110 В
Напряжение смещения нуляне более 10 мВ
Входной токне более 02 нА
Ток потребленияне более 10 мА
Разность входных токовне более 005 нА
Коэффициент усиления напряженияне менее 50000
Коэффициент ослабления синфазных входных напряженийне менее 80 дБ
Синфазное входное напряжениене менее 10 В
Коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещенияне менее 80 дБ
Скорость нарастания выходного напряженияне менее 75 Вмкс
Предельно допустимые режимы эксплуатации
Напряжение питания (135 165) В
Входное синфазное напряжениене более 10 В
Входное дифференциальное напряжениене более 20 В
Сопротивление нагрузкине менее 2 кОм
Температура окружающей среды-10 +70 ° C
Микросхема представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ. Корпус К155ЛА3 типа 201.14-1 масса не более 1 г и у КМ155ЛА3 типа 201.14-8 масса не более 22 г.
Условное графическое обозначение
459101213 - входы X1-
- напряжение питания;
Электрические параметры
Номинальное напряжение питания5 В 5 %
Выходное напряжение низкого уровняне более 04 В
Выходное напряжение высокого уровняне менее 24 В
Напряжение на антизвонном диодене менее -15 В
Входной ток низкого уровняне более -16 мА
Входной ток высокого уровняне более 004 мА
Входной пробивной токне более 1 мА
Ток короткого замыкания-18 -55 мА
Ток потребления при низком уровне выходного напряженияне более 22 мА
Ток потребления при высоком уровне выходного напряженияне более 8 мА
Потребляемая статическая мощность на один логический элементне более 197 мВт
Время задержки распространения при включениине более 15 нс
Время задержки распространения при выключениине более 22 нс

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

блок питания.cdw

Спецификация 4.cdw

Спецификация 1.cdw

Принципиальная схема.cdw

Обозначение на чертеже
Электронное устройство.
Схема принципиальная

Печатка готовая.cdw

Плату изготовить комбинированным методом
Шаг координатной сетки 2.5мм
линии сетки указаны через одну.
Конфигурацию проводников выделить по координатной сетке
Проводники покрыть сплавом Розе
Плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79

монтажка.cdw

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

блок питания11.cdw

Монтажка готовая.cdw