Курсовая работа (т): Четыре устройства электронной техники: транзисторный каскад усилителя низкой частоты, преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя, комбинационно-логическое устройство и стабилизированный источник питания для каскада УНЧ

Так как потребляемый от источника питания ток Iи является пульсирующим током с амплитудой Iкm, его среднее значение

.

Мощность, потребляемая от источника питания .

КПД каскада

Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя

усилитель низкочастотный сигнал аналоговый

Исходные данные:

1.      Функция, реализуемая преобразователем:

2.      Параметры преобразователя:

входное сопротивление, не менее: 200 кОм

минимальное сопротивление нагрузки: 10 Ом

3.      Параметры входного сигнала

амплитуда: -1…1 В

частота: 0…5 Гц

По условию необходимо реализовать функцию

,

следовательно, для синтеза преобразователя необходимы: неинвертирующее устройство на ОУ с коэффициентом усиления 5, дифференцирующее устройство на ОУ с постоянной времени дифференцирования  и сумматор на ОУ. В следствии того, что дифференциатор на операционном усилителе инвертирует сигнал, то для получения требуемой функции преобразователя используем вычитатель, который позволит вычесть инвертированный сигнал с дифферинциатора, поданный на минус ОУ, то есть сложит неинвертированный сигнал с входным, что и требуется по заданию. В соответствии с заданием входное сопротивление преобразователя , минимальное сопротивление нагрузки . Требуемые параметры преобразователя не накладывают особых ограничений на применяемые ОУ, поэтому выберем ОУ LM675.

Схема синтезированного аналогового преобразователя представлена на рис.2.1.

Неинвертирующий усилитель реализован на элементах DA1, Rд1, R11.

Коэффициент усиления равен 5. Так как Rд1=500кОм, то R11:

Так же включим в цепь операционного усилителя сопротивление смещения, которое определяется опытным путем:

Дифференциатор реализован на элементах DA2, Rд2, R12, C12. Постоянная времени дифференцирования определяется как

Примем R12=500кОм и определим С12:

.

Демпфирующий резистор Rд2 выберем много меньше R12, Rд2=5 kОм.

Вычитатель выполнен на DA3, R13, R3, R4, R5. Примем R13=R3=R4=R5=100кОм.

Рассчитаем необходимое напряжение питания, исходя из того, что Uвыхmax при подаче на вход синусоидального напряжения с частотой f=5 Гц и амплитудой 1В, на выходе будет напряжение:

выхmax=3,14В. C учётом области насыщения ОУ выберем напряжение питания Uп=±30В.

По рассчитанным параметрам и выбранным элементам составим модель преобразователя в системе OrCAD и произведём моделирование:

Сопоставим полученный в среде OrCad график с полученным в Matlab-е:

Далее рассмотрим каждую элемент преобразователя и сравним графики полученные в среде OrCad и Matlab:

Модель Инвертирующего Дифференциатора на операционном усилителе

Входной и Выходной сигналы при подаче на вход пилообразного сигнала реализованный в Matlab-е

Разработка комбинационно-логического устройства (КЛУ)

КЛУ реализует управление объектом с помощью логического сигнала Y. Состоянию объекта соответствуют входные комбинации, заданные в шестнадцатеричном коде

включено при 7,9,E,F

выключено при 2,3,B,D

Порядок выполнения расчета

Составляем таблицу истинности для заданной функции (таблица 3.1).

Составляем карту Карно (таблица 3.2).

Для полученной карты Карно составляем логическую функцию и осуществляем ее минимизацию:

Полученная функция реализуется на 3 элементах 2И-НЕ и 1 элементе 3И-НЕ т.е. реализовать КЛУ на одной ИС серии 1561 невозможно. Выбираем ИС К155ЛА3 4(2И-НЕ) и ИС К155ЛА4 3(3И-НЕ).

Составляем по минимизированной логической функции принципиальную электрическую схему.

Мы видим, что выходная функция Y модели КЛУ соответствует заданной.

Разработка источника питания для УНЧ

Техническое задание: рассчитать транзисторный стабилизатор постоянного напряжения. Выходное напряжение 10В1%В. Ток нагрузки 3 мА. Входное переменное напряжение 220 10%В. Допустимый уровень пульсаций выходного напряжения 70 мВ, Коэффициент температуры по напряжению 0.5mВ/К.

Выбор принципиальной схемы стабилизатора

Для получения высокой температурной стабильности в схеме стабилизатора должен присутствовать высококачественный стабилитрон (например 1N4372). Схема рассчитываемого стабилизатора приведена на рисунке 4.1.

Определение исходных данных для расчёта

Коэффициент стабилизации

Выходное сопротивление

Ом

Минимальное значение входного напряжения

В

Номинальное значение входного напряжения

В

Мощность, потребляемая стабилизатором

Вт

Полезная мощность в нагрузке

Вт

Коэффициент полезного действия

 или

Выбор регулирующего элемента

А

В

Вт

Выбираем транзистор BC847A (Uкэ=45 В, Iк=0.1 А, b=250)

Ток базы транзистора VT1

мА

Сопротивление резистора R1

Ом

Из стандартного ряда сопротивлений E24 выбираем 600 Ом

А

А

Выбор источника опорного напряжения

В качестве источника опорного напряжения выбираем стабилитрон типа 1N5225 (Uсm=3 В, Icm=20 мА). Тогда

 Ом

Выберем из ряда Е24 R2= 360 Ом

Примем ток делителя равным току стабилизации Iст = 20 мА, а так же сопротивление R2= R4

Выбираем транзистор VT3 аналогичный VT1 и VT2

Ом

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем 160Ом

Рассчитаем мощность резисторов:

 мВт

 мВт

мВт

Вт

Резисторы R1-R5 возьмём мощностью 0.125 Вт.

Расчет выпрямителя и фильтра

Коэффициент пульсаций

Пренебрегая активным сопротивлением обмоток трансформатора получаем:

Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора

В

Коэффициент трансформации

Выбор конденсатора фильтра

мФ

Согласно ряду E24

Выбор диодов выпрямителя. Средний ток через диод

А

Максимальное обратное напряжение на диоде равно входному напряжению стабилизатора 16.75 В. Выбираем диоды 1N4148 cо следующими параметрами: Iмакс=0.1А, Uобр=50В.

Судя по полученному графику схема обладает температурной стабильностью 0.37мВ/К

Так как для питания УНЧ нужны два сигнала по 5В, противоположные по знаку, то для питания УНЧ будет использоваться 2 источника питания. Второй будет аналогичен по схеме за исключением того, что транзисторы VT1 и VT3 будут заменены на аналогичные с PNP-структурой

Заключение

В курсовом проекте спроектировано четыре устройства электронной техники: транзисторный каскад усилителя низкой частоты, преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя, комбинационно-логическое устройство и стабилизированный источник питания для каскада УНЧ. Данный проект позволил получить навыки использования пакетов прикладных программ и расчета простейших устройств электронной техники.

Транзисторный каскад представляет комплементарный эмиттерный повторитель, работающий в режиме АВ и имеющий КПД 66%.

Преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя построен на дифференциаторе и сумматоре и адекватно преобразует сигнал в соответствии с заданием. Для связи низкоомной нагрузки с преобразователем использован комплементарный эмиттерный повторитель.

Количество корпусов спроектированного КЛУ минимизировано до двух.

В СН получена температурная стабильность 0.37мВ/К и коэффициент пульсаций выходного напряжения не превышает заданных 80мВ.

Использованная литература

1. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник/ Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко.- М.: Высш.шк., 2012г.

.П. Хоровиц, У.Хилл Искусство схемотехники: Перевод с английского под ред. д.т.н М.В.Гальперина- М.; Мир, 2014

.Интегральная электроника в измерительных устройствах/ Гутников В.С.. - Л.: Энергоатомиздат, 2008. - 304 с.

.В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев Электроника - М.: Высшая школа, 2012.

. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12_е изд.- М.: ДМК Пресс, 2010. - 832 с.

.Р. Корис, Х. Шмидт-Вальтер. Справочник Инженера-схемотехника -М.:Техносфера, 2011