Пояснительная записка. Курсовая работа по электронике

• Название: Курсовая работа по электронике
• Дата: 29.12.2020
• Размер: 286.89 Kb.
• Имя файла: Пояснительная записка.docx
• Тип: Курсовая; #165281

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тульский государственный университет»

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Кафедра "Систем автоматического управления"

Курсовая работа по электронике
Выполнил студент группы 131781_____________________Павлюков Д.А.
Проверил к.т.н.______________________________________Ефромеев А.Г.

Тула 2020 г.

Содержание

Введение 3

Разработка усилителя-преобразователя на операционных усилителях (ОУ) 4

Общие положения 4

Фильтр и усилитель 5

Смещение 9

Общая схема устройства 11

Разработка документации 13

Список литературы 15

Введение

В настоящее время подавляющее большинство современных систем управления являются цифровыми электронными системами, однако на входе таких систем часто присутствует аналоговый сигнал с различных датчиков физических величин. Для преобразования этого сигнала в цифровой вид используются специальные устройства – аналого-цифровые преобразователи (АЦП). При этом для максимально эффективной работы АЦП входной аналоговый сигнал должен соответствовать определённым требованиям: чаще всего он должен быть знакопостоянным и максимально полно укладываться в диапазон от 0 В до опорного напряжения АЦП. Сигнал с датчиков как правило имеет знакопеременную форму с небольшой амплитудой и часто зашумлён. Поэтому актуальной является задача разработки аналоговых схем усилителейпреобразователей, которые подготавливают аналоговый сигнал для последующей передачи на вход АЦП.

Разработка усилителя-преобразователя на операционных усилителях (ОУ)

Общие положения

Исходные данные для проектирования усилителя-преобразователя

Параметр	Обознач.	Величина	Ед.изм.
Амплитуда входного сигнала (±Uвх)	Uвх	0,015	В
Нижняя граница частоты входного сигнала	fн	0,02	кГц
Верхняя граница частоты входного сигнала	fв	60	кГц
Диапазон выходного сигнала преобразователя	ΔU	0..2,5	В
Характер помех	Помеха на частоте 450 Гц
Операционный усилитель	КР140УД1408А

Таблица 1.

Задача разрабатываемого устройства заключается в преобразовании исходного двухполярного сигнала амплитудой U_вх в униполярный сигнал в диапазоне U с учетом помех, т.е. реализации следующей функции:



где Ut_вх – входной сигнал;

Ut_вых – выходной сигнал;

U_A – верхняя граница диапазона U ;

– коэффициент усиления.

Разрабатываемое устройство функционально можно разделить на три части

1) фильтр – удаляет из сигнала помеху

2) усилитель – усиливает сигнал таким образом, чтобы он имел амплитуду от до ;

3) смещение – сдвиг усиленного сигнала в диапазон от 0 до U_A.

Фильтр и усилитель

Перед входом первого усилителя стоит активный режекторный фильтр, так как необходимо нейтрализовать ошибку на частоте 450Гц



Рис. 1. Принципиальная схема режекторного фильтра

Зададим для начала значение резисторов R₁ и R₂ равными 2,2 кОм.

R₁=R₂=R=2200 Ом

Зная R найдем значение R₃ и R₄:

Ом

Ом

Но так как 4,4 кОм не входит в ряд E24 возьмём ближайшее значение равное 4,3 кОм.

Найдем значение для емкости конденсатора:



Откуда Ф, но так как конденсаторов с таким значением не существует, выберем ближайшее С=150 нФ.

Зная С найдем значение С₃:

нФ, но так как конденсаторов с таким значением не существует, выберем ближайшее С=330 нФ.

Промоделируем систему с получившимися данными:



Рис. 2. Входной и выходной сигнал при 50 Гц



Рис. 3. Входной и выходной сигнал при 450 Гц



Рис. 4. Входной и выходной сигнал при 50 кГц

Как видно фильтр справляется со своей задачей.

Задачей усилителя является усиление сигнала с коэффициентом передачи:



Реализовать данное свойство можно различными способами, например, использовав последовательно два каскада инвертирующего включения.

За счет двойного инвертирования знак сигнала не измениться, а коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления каскадов.

Распределим коэффициент усиления по каскадам



Для экономии ресурсов, примем, что фильтр также служит усилителем с коэффициентом усиления 10, тогда

Ом

Рассчитаем резисторы для второго каскада с коэффициентом усиления 8,3

Примем R₁=1,2 кОм, тогда R₂=8.3R₁=10 кОм.



Рис. 5. Схема моделирования фильтра



Рис. 6. Результат работы усилителя при 100 Гц

Смещение

Последнее преобразование, которое необходимо выполнить с сигналом, заключается в смещении усиленного и отфильтрованного сигнала находящегося в диапазоне от до ;на напряжение равное В вверх. Т.е. нам необходимо выполнить сложение входного сигнала с постоянным напряжением В:



Такое смещение удобно выполнить с помощью аналогового сумматора с инвертором.



Рис. 7. Схема смещения сигнала

Работу сумматора можно описать следующим выражением



Дополнительного усиления нам не требуется, поэтому R1 будет равен R3=10 кОм.

Чтобы получить напряжение, требуемое для смещения, возьмем в качестве напряжения U₂ положительное напряжение питания операционного усилителя U_П=15 В.

Таким образом, резистор R2 рассчитывается, исходя из выражения:



Откуда R₂=120 кОм

Смоделируем работу схемы смещения:



Рис. 8. Схема моделирования смещения



Рис. 9. Результат работы смещения

Общая схема устройства

Теперь соберём модель всей схемы в целом и проверим её работу:



Рис. 10. Модель усилителя-преобразователя



Рис. 11. Результат моделирования работы устройства

Из рисунка 11 видно, что разработанное устройство выполняет заданные функции.

Разработка документации

В задании используется операционный усилитель КР140УД1408А, внешний вид и схема назначения выводов которого показаны на рис. 12 и 13.



Рис. 12. Корпус операционного усилителя КР140УД1408А



Рис. 13. Назначение выводов КР140УД1408А

1,8 – коррекция; 2- вход инвертируюущий; 3 – вход неинвертирующий; 4 – «минус» напряжения питания; 5 – балансировка; 6 – выход; 7 – «плюс» напряжение питания

В соответствии с этим можно составить электрическую принципиальную схему, соответствующую разработанной схеме устройства



Рис. 14. Электрическая принципиальная схема разработанного устройства

На основании электрической принципиальной схемы составим печатную плату



Рис. 15. Печатная плата разработанного устройства



Рис. 16. Схема расположения элементов на плате разработанного устройства.

Получившаяся плата односторонняя, и проводящий рисунок 15 расположен на обратной стороне от элементов,поэтому на рисунке он изображён в зеркальном виде,каким и должен быть на чертеже.

Список литературы

1. Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций. – СПб.: Издательство «Корона. Век», 2014. – 416 с., ил.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники / Пер.с англ. Б. Н. Бронин [и др.]. – 7-е изд. – Москва : БИНОМ, 2012. – 704 с.

3. Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ Под ред. Б. П. Кудряшова – М.: Радио и связь , 1981.

4. Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам. –M.: Журнал «Радио», 2005. – 208 с., ил.

5. Печатные платы: Справочник / Под ред. К. Ф. Кумбза. Пер. с англ. Под ред. А. Медведева. В 2-х кн. Книга 1. М.: Техносфера, 2011.