Министерство образования РеспубликиБеларусь
Белорусский государственныйтехнологический университетПояснительнаязаписка к курсовой работенатему: Разработка электронного устройства
Минск 2007
Введение
В результате поисков способовиспользования электрических явлений появилась электроника. Первые попытки былипредприняты сразу после изобретения А. Вольтой источника тока.
Изобретение радио вызвалонеобходимость для создания чувствительных индикаторов электрических колебаний иустройств для их усиления.
В 1916 г. Русским ученым М.П.Бонч-Бруевичем было установлено, что двух каскадный реостатный усилитель сположительной обратной связью может создавать скачки напряжений и токов. Этооткрытие явилось основой для разработки регенеративных импульсных устройств.
В 1947 г. Американские исследователисоздали и испытали первый германиевый точечный транзистор. В 1960 г. Колбин иНойс (США) сообщили об изобретении интегральных схем, составляющих основусовременной электроники.
Использование интегральных микросхемобеспечивает улучшение характеристик, разрабатываемых устройств, малоепотребление энергии, расширяет функциональные возможности, что позволяет ихиспользовать во всех сфера.
Эффективное применение интегральныханалоговых и цифровых микросхем невозможно без знания принципа их действия иосновных параметров. Физические принципы и особенности работы микросхемнаиболее доступно объясняется при моделировании с помощью дискретных элементови схемВсе электронныеустройства можно разделить на две группы – аналоговые и цифровые. Преимуществоустройств – простота, надёжность и быстродействие, они получили широкоераспространение, не смотря на менее высокую точность обработки сигналов.
Использование усилителей позволяетпреобразовать форму и величину напряжения. Аналоговый сигнал может бытьпревращён в импульсный для последующей обработки цифровым устройством.
Развитие связи в послевоенные годытесно связано с появлением полупроводниковой электроники.
В 1947 г. Американские исследователи создали и испытали первый германиевый точечный транзистор. В 1960 г. Колбин и Нойс (США) сообщили об изобретении интегральных схем, составляющих основусовременной электроники.
Использование интегральных микросхемобеспечивает улучшение характеристик, разрабатываемых устройств, малоепотребление энергии, расширяет функциональные возможности, что позволяет ихиспользовать во всех сфера.
Эффективное применение интегральныханалоговых и цифровых микросхем невозможно без знания принципа их действия иосновных параметров. Физические принципы и особенности работы микросхемнаиболее доступно объясняется при моделировании с помощью дискретных элементови схем.
Все электронные устройства можноразделить на две группы – аналоговые и цифровые. Преимущество устройств –простота, надёжность и быстродействие, они получили широкое распространение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов.
Использование усилителей позволяет преобразовать форму ивеличину напряжения. Аналоговый сигнал может быть превращён в импульсный дляпоследующей обработки цифровым устройством.
1. Выбор элементной базы
Элементная база, примененная при разработке данногоустройства, не содержит каких-либо специализированных элементов, поскольку кработе данного устройства не предъявляются особые требования, в том числе итемпературные. Устройство выполнено на широко доступных компонентах, которыепроизводятся отечественными предприятиями радиоэлектронной промышленности.Использование же импортных комплектующих, как и применение в качествекомпараторов специально предназначенных для этого микросхем, ведет к удорожаниюустройства, без какого-либо значительного улучшения его параметров. Всеиспользованные при разработке данного устройства элементы, могут быть замененылюбыми другими, подходящие по параметрам без ухудшения работы изделия. При этомвозможна корректировка номиналов некоторых элементов.
Элементы, используемые в данном устройстве:
· резисторы: МЛТ-0.25±5%или ОМЛТ-0.25±5%
· конденсаторыКМ-4±5%
· транзисторыКТ686Г, KT630E,2Т709А, КТ315Е
· операционныеусилители 140УД6
· диодыКА536И-6, 2Д202Т, 2С456А
· стабилитроны2C456A
2. Синтез электрической принципиальнойсхемы
2.1 Расчет усилительных каскадов натранзисторах
Поскольку необходимо усилить сигналпо напряжению, то в качестве схемы нормирующего усилителя выбираем схему собщим эмиттером. Однако схеме присущи следующие недостатки:
1) даже при отсутствии переменногосигнала через нагрузку протекает постоянный ток;
2) схема являетсятемпературно-нестабильной, т.к. при увеличении температуры транзистора на 10°,ток коллектора увеличивается в 2 раза, что приводит к дальнейшему увеличениютемпературы транзистора. В результате транзистор либо сгорает, либо переходит врежим насыщения;
3) в данной схеме большие нелинейныеискажения сигнала.
Схема усилителя с ОЭ:
/>
Выбираем из справочника транзистор,например, КТ315E.
Его параметры:
/>
/>
/>
/>
2.2 Расчет попостоянному току (одинаков для всех усилителей)
Выбираем />
/>
/>
Так как выходное напряжение будетсниматься с коллектора, тогда />, а на />падает 5.215В.
/>
/> />
/>
Рассчитаем конденсаторы/> и/>:
Конденсатор /> выбираем из условия (сопротивлениеконденсатора /> рассчитывается на частоте среза в 10 раз меньше, чемчастота основного сигнала):
/>,
где />для первых четырёх каналов и />для пятого канала.
Конденсатор /> выберем из следующего соотношения(сопротивление конденсатора /> на частоте основного сигнала должно быть в 10 разменьше, чем сопротивление резистора />):
/>,
где />для 1-4 каналов и />для 5 канала.
Тогда для первых четырёх каналов
/>,
для пятого канала
/>.
Для первого канала
/>.
Рассчитаем/> и />:
/>,
/>.
Для остальных каскадов расчетпроизводится по аналогичным формулам.
1 каскад.
Входные напряжения: /> />
/>
Выходные напряжения: />
Рассчитаем коэффициент усиления понапряжению.
/>,
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем/> и />:
/>,
/>.
2 каскад.
Входные напряжения: /> />
/>
Выходные напряжения: />
Рассчитаем коэффициент усиления понапряжению.
/>,
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем/> и />:
/>
/>
3 Каскад
Входные напряжения: /> />
/>
Выходные напряжения: />
Рассчитаем коэффициент усиления понапряжению.
/>,
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем/> и />:
/>
/>
4 Каскад
Входные напряжения: /> />
/>
Выходные напряжения: />
Рассчитаем коэффициент усиления понапряжению.
/>,
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем/> и />:
/>
/>
2.3 Расчет усилителей на ОУ
Необходимо, чтобы усилитель на ОУ преобразовывалнапряжение последующему закону: входному напряжению на 0В должно соответствоватьвыходное напряжение 3В, а входному напряжению 1.99В — выходноенапряжение -1В.
Т. е. между входным и выходнымсигналом должна быть следующая выходная зависимость:
/>
Каскад усилителя выполним на базедифференциального усилителя на ОУ.
/>
Выходное напряжение усилителя зависит от входных всоответствии с уравнениями:
/>
При /> и/> получаем:
Получаем:
/> />;/>.
Принимаем
/>; />.
Так как частота сигналов на пятомкаскаде больше, чем на остальных то для операций с ним выберем операционныйусилитель К140УД5Б, а для всех остальных каналов – К140УД6.
2.4 Расчет сумматора на ОУ
Для сложения сигналов первого итретьего каналов используем сумматор выполненный на базе операционногоусилителя.
/>
Выходное напряжение усилителя зависит от входных всоответствии с уравнениями:
/>
/>
Резисторы />,/>, />выбираем из условия
/>
Принимаем /> и/>.
2.5 Расчет инвертирующего ОУ
Для инвертирования сигнала второгоканала используем инвертирующий операционный усилитель.
/>
Выходное напряжение усилителя зависит от входного всоответствии с уравнениями:
/>
Принимаем />.
2.6 Расчет операционного усилителя,выполняющего вычитание сигналов
Для вычитания сигнала третьего каналаиз второго, используем операционный усилитель.
/>
Выходное напряжение усилителя зависит от входных всоответствии с уравнениями:
/>
/>
Принимаем />,
/>
/> /> />
2.7 Расчет дифференциатора на ОУ
Для дифференцирования сигнала второгоканала с постоянной времени τ= 0.0046сиспользуем дифференциатор на базе операционного усилителя.
/>
Выходное напряжение усилителя зависит от входного всоответствии с уравнениями:
/>.
Отсюда /> и /> выбираем из условия />.
Принимаем />,/> .
2.8 Расчет интегратора на ОУ
Для интегрирования сигнала первогоканала с постоянной времени τ= 0.0046сиспользуем интегратор на базе операционного усилителя.
/>
Выходное напряжение усилителя зависитот входного в соответствии с уравнениями:
/>.
Отсюда /> и /> выбираем из условия />.
Принимаем />,/>.
2.9 Расчет сумматора на ОУ
Для сложения сигналов интеграторапервого канала и пятого канала используем сумматор выполненный на базеоперационного усилителя К140УД6Б.
/>
Выходное напряжение усилителя зависит от входных всоответствии с уравнениями:
/>
Резисторы />, />, R4,/>выбираем из условия
Принимаем />.
2.11 Расчет компаратора
Компаратор долженобеспечивать на выходе уровень логического нуля для ТТЛ или КМОП при UвхÎ[-1;0.55] В и уровень логической единицы при UвхÎ[0.55;3] В.
/>
Для обеспечения этого условиянеобходимо подать на инвертирующий вход напряжение />, а на неинвертирующий вход подать Uвх (выходное напряжение операционногоусилителя).
Рассчитываем делитель напряжения /> и />.
Пусть через резистор /> протекает ток;
/>;
/>
Недостатком компаратора является то,что уровни выходных напряжений, определяемые напряжениями источников питания,обычно не соответствуют логическим уровням цифровых ИМС. Это затрудняет ихсовместную работу, и требуется специальное согласующее устройство,преобразующее выходные уровни компаратора в логические уровни цифровых ИМС. Вданном компараторе необходимо поставить на выходе стабилитрон (обратновключенный), который будет подключен к общей точке. Возьмем стабилитрон КС147А,для которого /> При подключенииэтого стабилитрона отрицательное напряжение будет проходить через него какчерез обычный диод, а при превышении положительным напряжением величинынапряжения стабилизации он будет открыт в обратном направлении и напряжение навыходе не превысит уровня логической единицы для ТТЛ.
Компараторы следует выполнить наоперационном усилителе К140УД6 – Для I –IV каналов, и К140УД6Б – для пятогоканала
3. Составление кары Карно и ееминимизация
1) составляем карту Карно, располагаяпо вертикали и горизонтали значения входных переменных таким образом, что припереходе от одного квадрата к другому изменялось значение только однойпеременной (по аналогии с кодом Грея);
2) записываем в квадраты карты Карно значение выходныхпеременных, соответствующей данным наборам значений выходных переменных.
3) описываем обведенные квадраты как произведениявходных функций или их инверсные значения;
4) производим минимизацию карты Карнои, используя булеву алгебру, представляем искомую логическую функцию суммойзначений соответствующих квадратов;
5) по полученному выражениюизображаем принципиальную схему, пользуясь элементами “ИЛИ-НЕ”.
Составим карту Карно по таблицеистинности:
Выходная переменная
Y Входные переменные Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 Х6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Для остальных наборов X значение Y=0.
Тогда карта Карно выглядит следующимобразом:
X4X5X6
X1X2X3 000 001 011 010 110 111 101 100 000 001 1 1 011 010 110 111 1 1 1 101 1 1 100 1
На основании полученных результатовпостроим логическую схему.
/>
4. Расчет блока питания
/>
Разработаем трансформаторный источникпитания от сети 220В.
Исходные данные:
/>, />,/>.
Рассчитаем ток нагрузки блока питания
Усилитель на биполярном транзисторе
/>
/>
Усилители на ОУ, повторители, компараторы,сумматоры, дифференциатор, интегратор, выбрали из справочника, и их марки К140УД7и К140УД6Б.
/>
Логические схемы
/>
Общий потребляемый ток
/>
Выберем стабилитрон для источникапитания ±15В.
Выбираем 2 стабилитрона КС215Ж с напряжениемстабилизации />
Для КС215Ж с напряжением стабилизации/>
/>
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем выпрямитель для питания ±15В
/>
/>
Выберем диод Д229В
/>
/>
Выберем стабилитрон для источникапитания +90В.
Выбираем Д817Г с напряжениемстабилизации />
Для Д817Г с напряжением стабилизации />
/>
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем выпрямитель для питания +90В
/>
/>
Выберем диод Д229Г
/>
/>
Рассчитаем коэффициент трансформации
/>
Рассчитаем мощности, потребляемыевсеми усилителями и микросхемами.
Усилитель на биполярном транзисторе:
/>
Усилители на ОУ, повторители,компараторы, сумматоры, дифференциатор, интегратор, выбрали из справочника, иих марка 140УД7
/>
/>
Все резисторы
/>
/>
Так как логические схемы потребляюточень малую мощность, то ею можно пренебречь.
Общая потребляемая мощность
/>
Заключение
Для реализации электронной схемыуправления понадобится 6 каскадов усилителей на биполярном транзисторе КТ315Е,23 операционных усилителей 140УД7, 3 элемента «ИЛИ-НЕ» (К561ЛЕ10), 1 элемент«НЕ» (К561ЛН2), 1 элемент «И-НЕ» (К561ЛА7).
Список литературы
1. В.И. Галкин, А.Л.Булычев, В.А Прохоренко Полупроводниковые приборы. -2-е изд., перераб. идоп.-Мн.: Беларусь, 1987.-285 с.
2. П. Хоровиц,У.Хилл, Искусство схемотехники. В 2 т. Изд. 3-е, стереотип.- М.:1986.- 598с., ил.
3. Ю.С. Забродин,Промышленная электроника: Учебник для вузов. — М.: Высш. школа, 1982- 496 с.,ил.
4. Сацукевич М. Ф.Справочные данные по электротехнике.- Мн.: Беларусь. 1983.-95с.
5. Гусев В. Г.,Гусев Ю. М. Электроника.-Мн.: Высш. Шк. 1991.-622с.
6. Электронныеприборы. В. Н. Дулин, Г. Г. Шишкин М.: 1989. 496 с.
7. Жеребцов И. П.Основы электроники. Л.:-1990.-352 с.
8. Конспект лекций.
9. Интернет.