Введение
Целью настоящего курсового проектаявляется разработка электронного функционального устройства реализующегозаданную передаточную функцию.
Разработка устройства включает всебя проектирование принципиальной электрической схемы, разводку печатнойплаты, расчёт области нормальной работы и расчёт показателей надёжности.
Дополнительно к разработанномуустройству составляется инструкция по эксплуатации.
Данные на курсовое проектирование
При курсовом проектировании следуетразработать электронное функциональное устройство реализующее переставленный нарисунке 1.1 закон передачи.
/>
Рисунок 1.1 – Структурная схемаустройства
Требования к разработке:
1. Разрабатываемое функциональноеэлектронное устройство должно реализовывать заданные передаточные функции смаксимально возможной точностью в широком частотном диапазоне (150…510Гц).
2. Устройство должно бытьреализовано на элементах отечественного производства, общепромышленногоназначения. Входные и выходные сигналы должны соответствовать требованиям ГСП
3. Устройство должно быть выполненона печатной плате с краевым разъемом. Блок питания находиться вне устройства ине разрабатывается.
4. Каждому элемент у структурнойсхемы соответствует 1 операционный усилитель. Устройство должно иметь 2параметра настройки и 2 органа настройки. Органы настройки выполняются нарезисторах. Все функциональные конденсаторы принять равными 1 мкФ.
5. Устройство должно иметь выходнойкаскад — ограничитель выходного напряжения. Уровень напряжения можетнастраиваться.
6. Рассчитать область нормальнойработы устройства.
7. Графическая часть должнасодержать:
1. Принципиальную схему устройства
2. Печатная плата.
3. Сборочный чертеж.
Разработка принципиальной схемы
Указанный в задании закон можетбыть реализован на операционном усилителе по схеме представленной на рисунке2.1.
/>
Рисунок 2.1 – Принципиальная схемазвена, реализованного на операционных усилителях
Идеальная передаточная функциятакого звена имеет вид
/>, (2.1)
где
/>; />; />
Таким образом, при фиксированномзначении номинала конденсатора C1 (1 мкФ) функциональное устройство имеет двапараметра настройки: коэффициент усиления (R1) и постоянная времени (R3).
Статический и динамический расчет
Формирующее устройство наоперационном усилителе показано на рисунке 3.1.
/>
Рисунок 3.1 – Формирующееустройство на операционном усилителе
Идеальная передаточная функцияформирующего устройства на операционном усилителе при условиях
/>;
/>;
имеет вид
/>.
Реальная передаточная функцияформирующего устройства на операционном усилителе
/>.
Реальная передаточная функциянайдена путем решения системы уравнений, составленных по закону Кирхгофа
/> (3.1)
Исключая ненужные переменные токи
/>;
/> (3.2)
Если устремить /> и /> к бесконечности, то мыпридем к выводу, что переходная функция совпадает с переходной функцией для идеальноговарианта.
Следовательно, необходимо выбратьоперационный усилитель с как можно большим коэффициентом усиления и входнымсопротивлением.
Реальное комплексное сопротивлениеутечки конденсатора имеет вид
/>.
где />.
Для структурной схемы, приведеннойна рисунке 1.1, идеальная передаточная функция имеет вид
/>.
Реальная передаточная функцияреального дифференцирующего звена
/>; (3.3)
/>; (3.4)
/>; (3.5)
Подставив (3.4), (3.5) в (3.2)имеем передаточную функцию реального звена
/>. (3.6)
Выбор электронных элементов схемы иконструирование печатной платы
Выбор элементов
Операционныйусилитель
В качестве операционного усилителявыбрана микросхема КР1446УД14 обладающая следующими параметрами:
Входное сопротивление (/>) – 1000 мОм.
Напряжение питания – 15 В 10%
Напряжение смещения – 10 мВ.
Тип корпуса – DIP 201.14-2 (19×6,6мм).
/>/>
Рисунок 4.1 – корпус КР1446УД14
/>
Рисунок 4.2 – распределение выводов
Конденсаторы
В качестве конденсатора C1 выбранметаллобумажный конденсатор типа C-K-50-80 обладающий большим сопротивлениемутечки (/>)1000 000 Ом;
Резисторы
В качестве переменных резисторовприменены резисторы типа СП3-18a.
В качестве постоянного резисторавыбран малогабаритный резистор с мощностью рассеивания 0,25 Вт (P1-28).
Описание принципиальнойэлектрической схемы
Принципиальная электрическая схемаразработанного электронного функционального устройства приведена на листе КАПП.220201.108.Э3курсового проекта.
Операционный усилитель DA1,DA2,DA3совместно с элементами C1,R1,R2,R3,R4,R5 образует смешанное звено с заданнымвидом передаточной функции. При этом подстроечные резисторы R1 и R3 позволяютнастраивать, соответственно, постоянную времени и коэффициент усиления звена.
Подключение разработанногофункционального устройства выполняется через концевой разъём XC1.
Печатнаяплата
Чертёж печатной платы устройства исборочный чертёж приведены на листах КАПП.220201.108 и КАПП.220201.108.СБданного курсового проекта.
Расчётнадёжности проектируемого устройства
Расчёт надёжности проектируемогоустройства сводится к определению вероятности безотказной, среднего временибезотказной работы и интенсивности отказа. Вероятность безотказной работыустройства за 1000 часов определена при условии, что закон распределенияэкспоненциальный, а интенсивность отказов элементов, входящих в устройство,соответствует значениям приведённым в таблице 5.1.
/>
/>/>
Среднее время безотказной работыустройства
часов />/>
На рисунке 5.1 показана плотностьвероятности безотказной работы комплекта.
/>
Рисунок 5.1 – График зависимостивероятности безотказной работы от времени
Расчет области нормальной работыустройства
Расчет АЧХ и ФЧХ реальной иидеальной систем с параметрами R1 и R3
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Расчет будем вести используяпараметры:
R3=10000 Ом
R1=50000 Ом
С= 0,000001 Ф
Rвх= 1000000 Ом
Коу= 30000
/>
Рисунок 6.1 – Графикамплитудно-частотной характеристики идеального и реального устройства.
/>
Рисунок 6.1 – Графикфазово-частотной характеристики идеального и реального устройства.
/>-область нормальной работынайденная по АЧХ
/>-область нормальной работынайденная по ФЧХ
Область нормальной работыустройства начинается с />
Инструкция по эксплуатации
Общие сведения
Разработанное функциональноеэлектронное устройство представляет собой реальное дифференциальное звено.
Прибор предназначен дляиспользования лабораторных и производственных условиях.
Хранениеустройства
Длительное хранение устройствадолжно осуществляться в отапливаемых, хорошо вентилируемых помещениях притемпературе от плюс 10 °С до плюс 55 °С, и относительной влажности не более80%. В воздухе помещений не должно быть пыли, а также газов и паров, вызывающихкоррозию.
Условияэксплуатации
Устройство рассчитано на работу притемпературе от минус 10 °С до плюс 50 °С и относительной влажности до 80%.
Монтажустройства
Установка собранного ипредварительно отлаженного устройства производится при отключённом напряжениипитания. Устройство крепится в требуемом месте на 4-х винтах.
Настройкаустройства
Переменным резистором R1 установитьтребуемый коэффициент усиления устройства, а переменным резистором R3 –постоянную времени дифференцирования.
Заключение
Полученное устройство можноприменять в качестве регулятора с настраиваемыми параметрами Т и К.
В данной работе были изученывозможные схемы использования операционных усилителей, а также получение спомощью них стандартных звеньев.