Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Інститут автоматики електроніки та комп`ютернихсистем управління
Факультет автоматики і комп’ютерних системуправління
Кафедра метрології і промислової автоматики
ПЕРЕТВОРЮВАЧЄМНІСТЬ-ТРИВАЛІСТЬ ІМПУЛЬСУ
Пояснювальназаписка
здисципліни “Основи електроніки”
докурсового проекту за спеціальністю
6.091302“Метрологія та вимірювальна техніка”
08 –03.КП.015.00.000ПЗ
Керівниккурсового проекту
к.т.н.,доцент. Дрючин О.О.
(прізвище та ініціали)
________________________
(підпис)
“___”_________________200_р.
Розробиластудентка гр. 1АМ-06
КовальчукО.С.
(підпис, прізвище та ініціали)
“___”_________________200_р.
ВінницяВНТУ 2008
Анотація
УДК. 621.38
О.С. КовальчукПеретворювач ємність-тривалість імпульсу.
Курсовий проект ВНТУ,2008, Українська мова; сторінок 45; ілюстрацій 10; додатки 3.
В даному курсовомупроекті було розроблено та реалізовано перетворювач ємність-тривалість імпульсу.Діапазон 1 пФ...10 нФ з частотою перетворень 25 кГц, але будова схеми дозволяєу разі необхідності провівши невеликі додаткові розрахунки та заміну одногоелементу змінити частоту перетворень Амплітуда вихідного сигналу складає 12 Вна опорі 8 Ом. Межі вихідного сигналу були визначені у результаті розрахунків.
Основними блокамиструктури є автоколивальний мультивібратор, призначений для формування сигналуз визначеною частотою, очікуючий мультивібратор використано в якості первинногоперетворювача, підсилювач напруги використано для підсилення амплітуди сигналудо заданого рівня та підсилювач потужності.
Цей перетворювачвідповідає всім вимогам сучасних нормативів і стандартів.
Зміст
Вступ.
1 Розробка технічного завдання
2 Розробка структурної схеми
2.1 Розробка структури пристрою
2.2 Розробка загальної структуриперетворювача
2.3 Попередній розрахунок ОМВ
2.4 Попередній розрахунок ПП
2.5 Попередній розрахунок ПН
2.6 Попередній розрахунок АМВ
2.7 Розробка детальної структури схеми
3 Електричні розрахунки
3.1 Розрахунок підсилювача потужності
3.1.1 Вихідні дані
3.1.2 Принципова схема ПП
3.1.3 Визначення залишкової напруги наколекторі
3.2 Розрахунок підсилювача напруги
3.3 Розрахунок елементів ОМВ
3.4 Розрахунок елементів АМВ
4 Визначення метрологічних характеристик
5 Моделювання одного з вузлів
Висновки
Література
Вступ
Електроніка – це галузьнауки і техніки, яка вивчає електронні та іонні процеси у вакуумі, твердомутілі, рідині, газі, плазмі та їх поверхневих шарах. Електроніка вивчає теоріюта практичне застосування електричних явищ для виробництва, перенесення,розподілу та перетворення електронної енергії в інші види енергії: світлову,теплову, механічну, хімічну тощо.
Електронікає універсальним і виключно ефективним засобом при рішенні різноманітних проблемв області збору і перетворення інформації, автоматичного і автоматизованогоуправління, виробництва та перетворення енергії. Ця наука дає не тількинеобхідні знання про явища, що відбуваються в електронних пристроях, якізастосовуються в інженерній справі відповідного напрямку, але і знання якістають необхідними для все більшого кола спеціалістів, в тому числі йметрологам.
Сферазастосування електроніки весь час розширюється. Нині вже не можливо назватиякусь газузь науки і техніки, де б не використовувалась електричні пристрої. Важконазвати технологічний процес, управління яким здійснювалося б без використанняелектроніки. Функції приладів електроніки стають все більш різноманітними.
Вимірювальна техніка є одним із головних факторів технічногопрогресу і її рівень у значній мірі визначає загальний рівень розвитку науки ітехніки.
Особлива роль належить електровимірювальній техніці, яка дозволяє використовуватинайновітніші досягнення електротехніки, електроніки, обчислювальної техніки іавтоматики для вирішення складних науково-технічних завдань. Поняття„вимірювання” означає знаходження значення певної фізичної величини задопомогою досліду та спеціяльних технічних засобів. Наука метрологія єтеоретичною основою вимірювальної техніки, одного з основних факторівтехнічного прогресу у всіх галузях діяльності людини. Розвиток метрологіїполягає, в першу чергу, в удосконаленні теоретичних основ вимірювань, узагальненніпрактичного досвіду в галузі вимірювань і направляє розвиток вимірювальноїтехніки.
Вимірювальна інформація – одна із складових частин пізнаннялюдиною матеріального світу. Одержувана інформація неперервновдосконалюється в процесі покращення вимірювального експерименту. При цьомувідбуваються постійне уточнення вимірювальної інформації, вивільнення її відсупутніх похибок і наближення до абсолютної істини. В результаті аналізуотриманої вимірювальної інформації людина пізнає навколишнє середовище.
Одним із основнихположень сучасної теорії вимірювальних пристроїв є положення про вимірювальнеперетворення.
Вимірювальнеперетворення – перетворення вхідного сигналу у вихідний, інформативний параметрякого із заданою точністю фундаментально пов’язані з інформативним параметромвхідного сигналу, аналітично подається рівнянням У = F (x).
Вимірювальнийперетворювач – засіб вимірювання, побудований на певному фізичному принципідії, що виконує одне частинне вимірювальне перетворення – призначений длявироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передавання,дальнього перетворення, обробки і (або) зберігання, яка, безпосередньо несприймається оператором.
У загальному разіпід сигналом розуміється матеріальний носій інформації, а вимірювальнимназивається сигнал, який несе інформацію про значення вимірювальної величини.
1.Розробка технічного завдання
Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічнихпараметрів схеми перетворювача ємність-тривалість імпульсу. У даному курсовому проектінеобхідно провести розробку структури перетворювача та провести розрахункиелементів вузлів схеми. Заданий діапазон ємностіскладає від 1 пФ до 10 нФ, з частотою перетворення 25 кГц, але будовасхеми дозволяє у разі необхідності провівши невеликі додаткові розрахунки тазаміну одного елементу змінити частоту перетворень. Амплітудавихідного сигналу повинна складати 12 В на опорі 8 Ом. Також задано значеннядопустимої похибки, яке менше або дорівнює одному відсотку.
Необхідно провести розрахунки кожного з елементів розробленоїсхеми перетворювача ємність-часовий інтервал. За допомогою отриманих данихпровести підбір операційних підсилювачів, транзисторів, резисторів, ємностей таінші елементи, які буде використано під час розробки перетворювача.
При підборі номіналів та стандартних назв елементівперетворювача варто звертати увагу на дотримання вибору елементів існуючимстандартам та направити зусилля на підвищення класу точності розробленогоперетворювача відповідно до стандартів. Розроблений перетворювач є досить зручним та гнучкимдо змін та модернізації. Даний перетворювач виконаний на основі операційнихпідсилювачів. Цей прилад відповідає всім вимогам до сучасних нормативів істандартів.
2. Розробкаструктурної схеми
2.1 Розробка структурипристрою
Перетворювачі, уяких електричне поле створюється прикладеною напругою, складають групу ємніснихперетворювачів. Основним елементом у цих перетворювачах є конденсатор змінноїємності, що змінюється вхідним вимірювальним сигналом.
У ємніснихперетворювачах ємність С може змінюватись за рахунок зміни параметрівконденсатора. При цьому виконуються функції перетворення неелектричних величину зміну ємності чи виробляється модуляція ємності, що має місце в ємніснихмодуляторах, ЕС генераторах.
При застосуванні ємнісного перетворювачаінформативним параметром являється його ємність Сх або тангенс кутадіелектричних втрат tgdx. Опір втрат практично завжди єнеінформативним для області високочастотної кондуктометрії.
Якщозмінювати частоту живильної напруги на конденсаторі перетворювача, то можнастворити прилад для визначення дисперсії діелектричних рідин, газів і твердихтел.
Як вимірювальніланцюги в ємнісних перетворювачах застосовуються подільники напруги, мостовісхеми, коливальні контури й автогенератори. Оскільки сигнали, що знімаються зємнісних перетворювачів, малі, то вимірювальні ланцюги містять підсилювачі.
При проектуванніємнісних перетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибірізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чимвища ця частота, тим менший вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибираютьвелику (до декількох МГц).
Конструктивнісхеми ємнісних перетворювачів виконуються в різних варіантаху залежності від області застосування. При вимірюванні рівнів рідких і сипучих тілзнаходять застосування циліндричні чи плоскі конденсатори, ємність якиххарактеризується рівнем х і залежить від діелектричних проникливостей рідини,ізоляції і повітря.
Можливі областізастосування перетворювачів (у тому числі і ємнісних) надзвичайно різноманітні,можна виділити лише окремі сфери:
- промислова техніка виміру і регулювання,
- робототехніка,
- автомобілебудування,
- побутова техніка,
- медична техніка.
Ємнісніперетворювачі близькі по своїм характеристикам до напівпровідникових діодів, уяких використовується залежність так називаної бар'єрної ємності від зворотноїнапруги. Такі перетворювачі застосовуються як елементи з електрично керованоюємністю і називаються варикапами.
Інша групаперетворювачів заснована на використанні сегнетоелектриків, тобто кристалічнихдіелектриків, що при визначених температурних умовах (при температурі нижчеточки Кюрі) мають мимовільну поляризацію при відсутності зовнішніх електричнихполів.
Нещодавноконструктори відносилися з упередженням до ємнісних перетворювачів, думаючи, щосхеми з ємнісними перетворювачами не забезпечують ні достатньої точності, ністабільності роботи приладів.
Вважалосяобов'язковим для одержання стійкого сигналу на виході ємнісного перетворювачаподавати на нього напругою високої частоти, що досягає сотень кілогерц, а інодінавіть десятків мегагерц. Наявність такої високої частоти у свою чергу приводило до втрат упаразитних ємностях, сполучних проводах і т.п. Для того щоб підвищити амплітудусигналу, що знімається з ємнісного перетворювача, і поліпшити стабільністьпоказань, деякі автори розробок застосовували в першому каскаді підсилювачаелектрометричні лампи, що допускають включення сотень мегом у ланцюг керуючоїсітки і т.д., однак усі ці міри мало поліпшували стабільність систем зємнісними перетворювачами й у той же час значно ускладнювали конструкціюприладів.
Проведенів даний час роботи показали, що причина нестабільності роботи систем зємнісними перетворювачами лежить у неправильному підході конструкторів допроектування перетворювачів, зокрема, у неправильному розташуванні ізолюючих елементівконструкції, нестабільність властивостей яких і приводить до помилок у роботісистем. Ці труднощі виявилися переборними, і вже створені прилади з ємніснимиперетворювачами, що забезпечують високі точності і стабільність роботи, щовитримують важкі режими експлуатації.
Вимірюванняємності. При вимірюванні ємності необхідно враховувати, що ці параметри можутьзалежати від частоти, температури, вологості, зовнішніх електричних і магнітнихполів і т. д.
Непрямийметод визначення ємності полягає в вимірюванні параметрів кола з конденсаторомі розрахунку значення невідомої ємності. На рисунку 1 показана схема длянепрямого визначення емності.
Без врахуванняактивних втрат в конденсаторі ємність розраховується запоказниками амперметра й вольтметра: Сх= 1/ωU.
Зурахуванням втрат в конденсаторі ємність можна визначити поформулі
Сх= />,
де I— струм, що протікає через конденсатор; U — напруга, прикладена до конденсатора; Р — потужністьвтрат.
Втрати в конденсаторі визначають або через потужністьвтрат />, або з урахуваннямтангенса кута втрат
Р = />, звідси />,
/>
Точністьвимірювання ємності непрямим методом невелика. Значно менше похибок даютьприлади зрівняння і безпосередньої оцінки. До приладів зрівняння відносятьсямости змінного струму. В одно з плечей моста, зібраного по схемі, яка показанана рисунку 2, включений вимірювальний конденсатор Сх з опором втратRx, в інше — зразковий Соб із опоромRоб, Інші плечі моста утворені резисторами R1, R2.
Умова рівноваги мосту:
(RX +1/jωСх) R2=:(Rоб +1/jωСоб) R1.
Звідси при RхR2= RобR1отримаємо Cx=Co6R2/R1.Опір активних втрат визначиться як Rx=Ro6R1/R2.
Втрати в конденсаторі визначаються по формулі tgσx=ωRo6Соб. Міст попередньо врівноважується резисторами Ro6 і R2, постаченимишкалами із шкалою в одиницях tgσxі ємності. Для балансування мосту варто змінювати як Ro6 так і Соб. Балансування мосту виконується методом послідовних наближень: по черзі регулюють кожний з елементів до одержання мінімального показанняіндикаторного приладу.
Нарисунку 1 показана схема для непрямого визначення ємності.
/>
Рисунок 1- Схемадля непрямого вимірювання ємності
На рисунку 2показана мостова схема для вимірювання ємності.
/>
Рисунок 2-Мостова схема для вимірювання ємності
Мінімально необхідне число операцій при балансуванні мостувизначає його збіжність.
Мостовийметод вимірювання ємності застосовують для вимірювання ємностей від декількохсотень пікофарад до декількох десятків мікрофарад.
При цьомувизначають опір Zx =Z1·Z3/Z2 і обраховують ємність Сх=160000/(fZx),де Zx-модуль комплексного опору, кОм; f-частота живлення моста, кГц;Сх-вимірювана ємність, пФ.
Міст живлятьзмінною напругою частотою 500..1000 Гц.
Ємності до 5000пФ зазвичай вимірюють резонансним і генераторним методом, також широковикористовується метод заміщення.
Мультивібратори.Коливання прямокутної форми на мультивібраторах виникають за рахунокпозитивного зворотного зв’язку через активний електронній елемент: транзистор,операційний підсилювач, логічний елемент, тиристор. Саме тому основнимипараметрами прямокутних імпульсів є: частота (тривалість), амплітуда і їхстабільність залежать від характеристик активного елемента – напруга живлення,порогового рівня, швидкодії тощо.
Стабільністьтривалості чи періоду повторення імпульсів в мультивібратори на логічнихелементах невелика (приблизно 3% при зміні температури на 10С), оскількистабільність порогового рівня ТТЛ-мікросхем низька.
Управліннятривалістю імпульсів (частотою автоколивань) може виконуватись трьомаспособами: ручним регулюванням, тобто зміною опору, рідше зміною ємності; задопомогою напруги зміщення, яке вводиться у вхідні ланцюги логічних елементів;цифровим кодом.
Мультивібраторина операційних підсилювачах бувають:
- очікуючі;
- автоколивальні;
Мультивібраторина мікросхемах бувають:
- з транзистором в якості порогового елементу;
- на інтегральному таймері;
- з керуванням цифровим кодом;
- кварцеві генератори;
Мультивібраторина електронних елементах:
- автоколивальний на транзисторах;
- очікуючій на операційному підсилювачі;
- очікуючій на польовому транзисторі;
- очікуючій на тиристорі.
Мультивібраторина транзисторах на відміну від мультивібраторів на логічних елементах можеробити при значних змінах напруги живлення при порівняно малій зміні частоти.Очікуючий мультивібратор на польовому транзисторі дозволяє отримати імпульсивеликої тривалості оскільки в таких схемах можна змінювати опір в великомудіапазоні. А от мультивібратори на тиристорах дозволяють отримувати імпульси великоїпотужності.
Отжедля формування імпульсів з заданою умовою частоти використаємо автоколивальниймультивібратор, а для перетворення ємності у тривалість імпульсу використаємоочікуючий мультивібратор. Отриманий сигнал підсилимо за допомогою двох послідовноз’єднаних підсилювачів напруги та потужності.
2.2 Розробка загальноїструктури перетворювача
На рисунку 3 зображена спрощенаструктурна схема перетворювача.
/>
Рисунок 3 –Спрощена структурна схема перетворювача
АМВ –автоколивальний мультивібратор, призначений для створення імпульсів заданоїчастоти, які є запускаючими для ОМВ і частота цих імпульсів 30 кГц.
ОМВ –очікуючий мультивібратор, призначений для формування імпульсів певноїтривалості з визначеною амплітудою. Тривалість вихідних імпульсів залежить відємності конденсатора, діапазон якої коливається в межах 1нФ..1мкФ.
ПН – підсилювач напруги, здійснюєподальше підсилення вихідної напруги попереднього каскаду до величини 30 В.
ПП – підсилювач потужності,використовується для забезпечення потужності на навантаженні, опір якогодорівнює 10 Ом.
2.3 Попереднійрозрахунок ОМВ
Визначимо динамічний діапазонперетворювача
D=/>,(1)
D =/>=/>.
де Сmax – максимальне заданеумовою значення ємності;
Сmin — мінімальне заданеумовою значення ємності.
Оскільки динамічний діапазон неперевищує 100, то необхідності розбивати його на під діапазони немає.
За умовою/>(кГц)
Задаємо:
/>(10...20)/>, (2)
/>0,6(МГц).
/>>/>, />
Задавшись />=/>В, приймаємо
/>=(0,8...0,9)/>, (3)
/>=12(В).
Для операційного підсилювача
/>(10...20)/>, (4)
/>0,6(МГц).
Спираючись на проведені розрахункиобираємо ОП типу 140УД24.
Основні параметри ОП:
/>
/>мВ
/>мкВ/с
/>нА
/>нА
/>В
/>В
/>мА
/>В
/>дБ
/>В
/>В
/>Ом
/>кОм
/>пФ
/>МГц
2.4 Попереднійрозрахунок ПП
В якості підсилювача потужностівикористано комплементарний емітерний повторювач. Принцип дії: VT4 відкритий іпрацює як емітерний повторювач коли на вході каскаду позитивний сигнал. У цейчас VT5 закритий. При негативному сигналі навпаки. Тому електричний розрахунокбудемо проводити лише для одного транзистора. Початкові дані: />, Rн=10 Ом. Знайдемомаксимальний допустимий струм
Іmax =/>, (5)
Іmax=/>=3(А).
Розрахуємо максимальну вихіднупотужність
Рmax=Umax·Imax,(6)
Рmax=30·3=90 (Вт).
Задамось умовою />
На основі розрахунків оберемотранзистори VT4 та VT5 таких номіналів: КТ819ВМ n-p-n: КТ818ВМ p-n-p:
/>=100Вт />=100 Вт
/>=15А />=15 А
/>=60В />=60 В
/>=20 />=20
/>=3МГц />=3 Мгц
/>=1В />=1 В
/>=5А />=5 А
Дані транзистори цілком задовольняютьумовам.
Оберемо діоди VD1 та VD2.
Основні параметри:
/>=0,3А
/>=1А
/>=10мкс
/>=1мкА
/> =50В
/>=0,3А/>
f=200 кГц
C=2,5 пФ
Заданим параметрам відповідає діод типуКД130АС, що цілком задовольняє умовам.
2.5 Попереднійрозрахунок ПН
Визначимо коефіцієнт підсилення понапрузі:
/>,(7)
/>.
де Vвих max – максимальнавихідна напруга;
Vвх max — максимальна вхіднанапруга.
Коефіцієнт підсилення ПН на БТ:
/>,(8)
/>.
де Vвих max – максимальнавихідна напруга;
VОП min – мінімальна напругана операційному підсилювачу.
Отже сигнал на виході підсилювача матименапругу 30 В, тобто підсилювач виконає підсилення амплітуди сигналу у 6,5рази.
Виберемо активний елемент підсилювачапотужності спираючись на наступні дані:
Оскільки коефіцієнти підсиленнятранзисторів VT4 та VT5 Кпр=4дб=80, то:
Рвх=/>, (9)
Рвх=/>=0,3 (Вт).
Рк/> (Вт)
/> (В)
Визначимо максимальний колекторний струм
Ікмах=/>/> ,(10)
Ікмах =/> (мА).
де Pk– максимальна потужність колектора;
Umax –максимальна вихідна напруга.
Заданим параметрам відповідає транзистор n-p-n типуКТ3117A
Основні параметри транзистора КТ3117A:
/>=300 мВт
/>=400 мА
/>=50В
/>=40/200
/>=10мкА
/>=300мГц
/>=0,6В
/>=500мА
Т=-60..+100 С
Отже транзистор VT3 типу n-p-n КТ3117А.
2.6 Попереднійрозрахунок АМВ
Вхідні дані: fmax= 30 (кГц)
Амплітуда вихідного сигналу не повиннаперевищувати 30В, тобто може бути у діапазоні від 0,5 до 30В. Нехай для даногокаскаду />=5В.
Задамося напругою живлення
/> =(1,4...1,2)/>, (11)
Eж=12(В).
/>
/>,(12)
/>=0,6(МГц).
/>
/> (В)
/>
Оскільки коефіцієнти підсиленнятранзистора VT3 Кпр=4дб=80, то:
Рвх=/>, (13)
Рвх =/> (мВт).
Рк/> мВт
/> (В)
Ікмах=/>/>,(14)
Ікмах =/> (мА).
На основірозрахунків оберемо транзистори VT1, VT2 типу n-p-n КТ315Ж:
/> (при />=10кОм) =15В
/>=50 мА
/>=100 мВт
/>=10 пФ
/>=100 мГц
Дані транзистори цілком задовольняютьумовам.
2.7 Розробка детальноїструктури схеми
На рисунку 4 зображено розробкудетальної структури схеми
/>
Рисунок 4 — Розробка детальної структурисхеми
АМВ –автоколивальний мультивібратор, призначений для створення імпульсів заданоїчастоти 30 кГц.
ОМВ – очікуючиймультивібратор, призначений для формування імпульсів певної тривалості звизначеною амплітудою. Тривалість вихідних імпульсів залежить від ємностіконденсатора, діапазон якої коливається в межах1нФ..1мкФ.
ПН – підсилювач напруги, здійснюєподальше підсилення вихідної напруги попереднього каскаду до заданої величини30 В. Цей каскад також здійснений на операційному підсилювачі з диференційнимвходом .
ПП – підсилювач потужності,використовується для забезпечення потужності на навантаженні, опір якого дорівнює 10 Ом.
В результаті розрахунків отрималиактивні елементи каскадів та межі деяких величин. Всі назви елементів та межівеличин зазначені на рисунку4.
3.Електричні розрахунки
3.1Розрахунок підсилювача потужності
3.1.1 Вихідні дані
/>=10Ом
/>=3А
/>=30В
/>=90Вт
Електричні розрахунки починаємо з кінцясхеми, тобто з підсилювача потужності.
3.1.2 Принциповасхема ПП
На рисунку 5 зображена принципова схемапідсилювача потужності.
/>
/>
R10 />/>/>/>/>/>/>Рисунок5 — Принципова схема ПП
3.1.3 Визначеннязалишкової напруги на колекторі
Проведемо розрахунок для транзистора VT4
/>, (15)
Еж=24 (В).
де Uke max — максимально допустима напруга колектор-емітер;
Еж-напруга живлення.
Задамося
/>, (16)
Uke0=12 (B).
Обираємо звихідної характеристики транзистора:
/>
/> при />
З вхідниххарактеристик: /> при /> та />
Розрахуємо R9:
/>
/>, (17)
/> (Ом).
R10 С2-23-12Ом, Р=0,125Вт, />1%
3.2Розрахунокпідсилювача напруги
На рисунку 6 зображено схему електричнупринципову підсилювача напруги
/>
Рисунок 6 – Схема ПН електричнапринципова
Вхідні дані:
ТранзисторКТ3117А
/>=300мВт
/>=50 В
/>В
Оберемо напругуживлення
/>, (18)
/> (В).
Оскількитранзистор n-p-n типу, напруга подається додатня.
Задамося
/>, (19)
/> (В).
Обираємо звихідної характеристики транзистора: при /> знаходимо/> />
З вхідниххарактеристик: /> при /> та />
Задамося
/>, (20)
/> (В).
Розрахуємо R8:
/>, (21)
/> (Ом).
R8 С2-23-500Ом, Р=0,125Вт, />1%
Розрахуємо R9:
/>
/>, (22)
/> (Ом).
R9 С2-23-82Ом, Р=0,125Вт, />1%
Проведеморозрахунок базового опору R7
/>, (23)
/>(кОм).
R7 С2-23-8,2кОм, Р=0,125Вт, />1%
Проведеморозрахунок конденсаторів.
/> -блокуючий конденсатор.
/>
/>
/>, (24)
/> (Ф).
/> К75-10-10 мкФ, ±20%
3.3 Розрахунокелементів ОМВ
На рисунку 7 зображена схемаочікувального мультивібратора.
/>
Рисунок 7 – Схема ОМВ
Оскільки тривалість імпульсів для такогомультивібратора,
/> (25)
а отже тривалість імпульсу вихідногосигналу залежить від ємності прямо пропорційно. Можливі межі тривалостірозрахуємо після того, як будуть обрані всі елементи. /> напруга насичення ОП навиході 4.7 В.
Оскільки даний каскад повинен лишезмінювати тривалість імпульсів, а не підсилювати сигнал по напрузі, то виберемономінали резисторів так, щоб коефіцієнт підсилення по напрузі даного каскаду
/>,(26)
/>.
Оскільки />, а ємність змінна, тонеобхідно вибрати номінали так, щоб />.
/> (27)
Максимальне значення опору ємності
/> ,(28)
/>(Ом).
Оскільки />,то величиною опору ємності можна знехтувати
/>,(29)
/>.
Для даних опорів враховуючи умову /> Ом оберемо стандартніномінали для цих опорів:
/> С2-23-1,6МОм,Р=0,125Вт, />1%
Проведемо розрахунок меж тривалостівихідних імпульсів в залежності від меж ємності
/>,(30)
/>.
/>,(31)
/>.
де Uнас-напруга насичення;
Сmax – максимальна заданамежа ємності;
Сmin — мінімальна задана межаємності.
Отже тривалість імпульсів в залежностівід ємності лежатиме у межах: 149мкс...0,149мкс
Сх — конденсатор змінноїємності за допомогою якого ми можемо змінювати режими, але потрібний щезразковий конденсатор С0, з яким ми будемо зрівнювати.
Тобто при вимірюванні Сх берутьзразковий конденсатор С0, так як постійна часу кола розрядкиконденсатора τ є інтервал часу, по закінченні якого напруга наконденсаторі змінюється в е раз, то інтервал Δt= τ= Сх·С0.формується за допомогою зрівнюючого пристрою ЗП.
Тому вибираємо конденсатор С0 зноміналом ємності в діапазоні 10 нФ....1мкФ, але більшого класу точності. С0К77-1-1мкФ,/>0,5 %
3.4Розрахунок елементів АМВ
На рисунку 8 зображена схемаавтоколивального мультивібратора
/>
Рисунок 8 — Схема АМВ
Вхідні дані:
VT1 та VT2 типу КТ315Ж
/>=(1,2…1,4)/>, (32)
Eж=12(В).
/>
Оскільки наступний каскад має вхіднийопір />, то для розрахунку R1,R4 скористаємось наступною формулою:
Для даного транзистора з вихідноїхарактеристики транзистора:
при /> В знаходимо: /> мкА, /> мА
З вхідниххарактеристик: /> при /> та />
Задамося
/>, (33)
/>=1,2(В).
/>,(34)
/> (кОм).
Оберемо резистори:R1, R4 С2-23-2 кОм, Р=0,125Вт, />1%
Так як мінімальнепідсилення за струмом β=1, то:
/>,(35)
/>(кОм).
Оберемо резистори:R2, R3 С2-23-1 кОм, Р=0,125Вт, />1%
Оберемо конденсатори
С1=С2=/>, (36)
С1=С2=2,4 10-3(Ф)
С1, С2 К40У-9-0,22мкФ ,/>20%
4. Визначенняметрологічних характеристик
Після розрахунку зовнішніх елементівнеобхідно враховувати неідеальність ОП. При цьому />,/>, />. /> кОм, /> Ом. R6=1,6 МОм R5=1,6МОм
Реальний коефіцієнт підсилення реальногоОП можна визначити за формулою:
/>,(37)
/>.
Визначимо похибку:
/>,(42)
/>.
Тобто значення реальної похибки неперевищує значення допустимої похибки, яка є однією із умов завдання:/>. Отже, можна зробитивисновок, що задана в умові точність витримана.
5.Моделювання одного з вузлів
Для перевіркиправильності роботи схеми проведемо моделювання одного в вузлів. Длямоделювання оберемо очікуючий мультивібратор, який виступає у ролі перетворювачаємності у тривалість імпульсів. Підставимо всі обрані у процесі розрахунківномінали елементів та знімемо частотні характеристики на виході вузла прирізній ємності.
На рисунку 9зображено модель очікувального мультивібратора в пакеті прикладних програмWorkBench
/>
Рисунок 9 — Модель ОМВ в пакеті WorkBench
На рисунку 10 наведенозміну часового інтервалу при різних значеннях Сх
а/>б/>
Рисунок 10 — зміна часового інтервалу при різних значеннях Сх: а — значеннячасового інтервалу при заданому значенні ємності, б — значення часовогоінтервалу при зміні значення ємності на інше, амплітуда при цьому залишаєтьсянезмінною.
Висновки
В даному курсовому проекті докладно булиописані головна мета, основне призначення та області застосування перетворювачаємність-часовий інтервал. Також була розглянута поетапна розробка та розрахуноккожного з елементів схеми, приведені структурні схеми окремих каскадів.
В результаті проведенихрозрахунків була розроблена структура перетворювача, проведено розрахунокопорів та ємностей, ОП та транзисторів, підібрані елементи та їх номінали,проведено моделювання одного з вузлів схеми електричної принципової, визначеніметрологічні характеристики і вирахувано, що похибка перетворення не перевищує1%.
Графічна частина міститьсхему електричну принципову, створену згідно стандартів.
Література
1. Терещук Р.М.Полупроводниковые приемно-усилительные устройства.- Киев: Наук.думка, 1988.-800с.
2. Степененко И.П. Основимікроелектроніки.- М.: Сов. Радио, 1980 — 456 с.
3. Харовіц П. Н. Мистецтвосхемотехніки.- М.: Мир. 1986. – 55 с.
4. Довідник. Вживанняінтегральних мікросхем в електронній обчислювальній техніці.- М.: Радіо ізв'язок, 1987. –400 с.
5. Наумов Ю.Е. Інтегральнісхеми.- М.: Сов.радио, 1970. –112 с.
6. Никитин В.А. Книганачинающего радиолюбителя.–М.: Патриот, 1991.-464с.
7. Бокуняев А.А. Справочная книгарадиолюбителя-конструктора.-М.: Радио и связь,1990. – 624 с.