переделать. Курсовой проект по дисциплине "Основы компьютерного проектирования рэс"

• Название: Курсовой проект по дисциплине "Основы компьютерного проектирования рэс"
• Дата: 13.06.2021
• Размер: 1.03 Mb.
• Имя файла: переделать.docx
• Тип: Курсовой проект; #217044

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ" (ФГБОУ ВО "ВГТУ")

Институт радиотехники и электроники

Кафедра радиотехники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине "Основы компьютерного проектирования РЭС"
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЭС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫМ ПРОГРАММ MICRO-CAP (ВЕРСИЯ 10)
Расчетно-пояснительная записка

Разработал студент гр. збРТ-171

А.А. Ананьевский

Подпись, дата Инициалы, фамилия
Руководитель доц. В.В. Горбатенко

Подпись, дата Инициалы, фамилия
Члены комиссии ____________________________________

Подпись, дата Инициалы, фамилия

____________________________________

Подпись, дата Инициалы, фамилия
Нормоконтролер ____________________________________

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Защищена _________________ Оценка _________________

дата

Воронеж, 2021

Замечания руководителя

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 Техническое задание 6

2 Анализ технического задания и синтез схемы электрической структурной (Э1) и схемы электрической функциональной (Э2) 7

3 Формирование графического изображения схемы электрической принципиальной исследуемого устройства средствами графического редактора ППП MC 10 10

4 Формирование графического изображения схемы электрической принципиальной исследуемого устройства поблочно средствами графического редактора ППП MC 10 11

5 Моделирование статических режимов, динамических и частотных характеристик устройства по блокам с использованием ППП MC-10 14

5.1 Моделирование оконечного каскада усилителя мощности 14

5.2 Расчет и моделирование схемы Дарлингтона 22

29

5.3 Схемотехническое моделирование усилителя мощности 30

31

5.4 Схемотехническое моделирование фильтра нижних частот 32

5.5 Схемотехническое моделирование фильтра верхних частот 34

5.6 Схемотехническое моделирование входного каскада 36

37

6. Результаты схемотехнического моделирования исследуемого устройства 38

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43

ПРИЛОЖЕНИЕ А 44

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 45

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового проекта является наработка и закрепление навыков расчета, проектирования, моделирования и проверки избирательного усилителя в пакете программ Micro-CAP 10.

Microcap 10 — это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства, является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК, его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы. От младших представителей своего семейства Microcap 10 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 — профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

Пакеты программ схемотехнического моделирования и проектирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program – «Программа анализа схем на микрокомпьютерах») фирмы Spectrum Software относятся к наиболее популярным системам автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Последние версии Microcap, обладая большими сервисными возможностями, позволяют выполнять графический ввод и редактирование проектируемой схемы, проводить анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств. С помощью Microcap можно осуществить анализ электрических схем по постоянному току, рассчитать переходные процессы и частотные характеристики проектируемых схем, провести оптимизацию параметров схемы. Программы Microcap имеют средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, обладают возможностями построения трехмерных графиков результатов моделирования и многое другое.

1 Техническое задание

Параметры устройства, разрабатываемого на базе операционных усилителей (ОУ) и многокаскадного усилителя мощности (УМ), согласно техническому заданию, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Входное сопротивление (не менее)
Сопротивление подключаемой нагрузки
Напряжение на входе
Напряжение в нагрузке
Нижняя частота среза
Верхняя частота среза
Режим работы транзисторов УМ	А-B

Форма ЛАЧХ отражена на рис.1.1.



Рисунок 1 – ЛАЧХ разрабатываемого устройства

2 Анализ технического задания и синтез схемы электрической структурной (Э1) и схемы электрической функциональной (Э2)

В основе структурной схемы разрабатываемого устройства лежат следующие положения:

1. 
   Формирование амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) избирательного усилителя обеспечивается активными фильтрами частот с частотами среза ;
   
2. 
   Требуемое значение мощности в нагрузке усилителя обеспечивается выходным каскадом УМ (производится усиление по току);
   

3. Необходимое значение входного сопротивления и большая часть коэффициента усиления по напряжению усилителя обеспечивается входным каскадом.

В соответствии с данными принципами, синтезирована схема электрическая структурная, которая приведена в приложении А.

Блок 1 в схеме электрической структурной - блок источника сигнала. Блок 2 состоит из блоков: 2.1 – входной каскад; 2.2 – ФВЧ; 2.3 – ФНЧ; 2.4 – каскад предварительного усиления; 2.5 – оконечный каскад. Блок 3 на схеме – нагрузка. Блок 4 – блок источника питания.

На базе схемы электрической структурной была построена схема электрическая функциональная, которая представлена в приложении Б.

В блоке 1 используем синусоидальный источник сигнала с внутренним сопротивлением. Блок 2.1 собран по инвертирующей схеме включения ОУ. Требуемое значение коэффициента усиления по напряжению зададим цепью отрицательной обратной связи. Блоки 2.2, 2.3 собраны по инвертирующей схеме включения ОУ с использованием RC-цепочки ФВЧ и ФНЧ соответственно. В блоке 2.4 также используем инвертирующую схему включения усилителя. В блоке 2.5 для обеспечения заданного значения мощности в нагрузке выбираем двухтактный выходной каскад на комплементарной паре транзисторов. Он дает больший КПД, а также позволяет снизить уровень нелинейных искажений. Коэффициент усиления по напряжению такого каскада близок к 1, поэтому необходимую амплитуду напряжения обеспечивает каскад предварительного усиления, выполненный на ОУ в инвертирующем включении. Для снижения нелинейных искажений в нагрузке используем отрицательную обратную связь, охватывающую оконечный каскад и каскад предварительного усиления.

Предварительный каскад усиления используется для усиления напряжения сигнала, необходимого для подачи на вход оконечного каскада. Для получения такого напряжения используется схема на операционном усилителе с инвертирующим включением. Коэффициент усиления каскада определяется отношением:

резистор используется для балансировки схемы.

ФВЧ выполнен на базе ОУ. Частота среза определяется отношением:



ФНЧ с частотой среза определяются соотношением


Коэффициент усиления ФВЧ:

Коэффициент усиления ФНЧ


резисторы в схеме являются балансировочными.

Входной каскад выполнен на базе инвертирующего включения ОУ. Резистор определяет входное сопротивление разрабатываемого устройстра, а коэффициент передачи входного каскада определяется выражением:

3 Формирование графического изображения схемы электрической принципиальной исследуемого устройства средствами графического редактора ППП MC 10

Для вставки в модель необходимых операционных усилителей воспользуемся вкладкой «Component» и выберем в ней «Find component». Далее требуется ввести нужную модель операционного усилителя (ОУ) и соответствующим образом разместить его на поле принципиальной схемы. Транзистор находится так же, как и усилитель – через поиск компонента. Действия при добавлении в схему источника гармонического напряжения аналогичны. Остальные необходимые элементы приведены на верхней панели основного окна программы. После выставления номиналов необходимо соединить элементы между собой соответствующим образом. Принципиальная схема усилителя, полученная с помощью графического редактора ППП MC 10, приведена на рис. 3.1.



Рисунок 3.1 – Принципиальная схема усилителя

4 Формирование графического изображения схемы электрической принципиальной исследуемого устройства поблочно средствами графического редактора ППП MC 10

Следующий этап курсового проектирования – формирование структурных блоков усилителя с помощью графического редактора ППП MC 10. Оконечный каскад приведен на рис. 4.1, предоконечный – на рис. 4.2, ФНЧ – на рис. 4.3, ФВЧ – на рис. 4.4 и входной каскад – на рис. 4.5.



Рисунок 4.1 – Оконечный каскад



Рисунок 4.2 – Предоконечный каскад



Рисунок 4.3 – ФНЧ



Рисунок 4.4 – ФВЧ



Рисунок 4.5 – Входной каскад

5 Моделирование статических режимов, динамических и частотных характеристик устройства по блокам с использованием ППП MC-10

5.1 Моделирование оконечного каскада усилителя мощности

Определим мощность в нагрузке:



Величина амплитуды тока и напряжения в нагрузке:



Величина напряжения питания:



Выберем с запасом стандартное значение

Определим максимальное значение мощности, рассеиваемой коллектором транзистора в режиме работы А-В следующим образом:



где – модуль сопротивления нагрузки, – сдвиг фаз между током и напряжением в нагрузке (так как нагрузка является чисто активной ), а – выбранное значение тока покоя транзистора выходного каскада.



Получаем требования, предъявляемые к транзисторам оконечного каскада, по току, напряжению, рассеиваемой мощности и частотным свойствам:









где – частота единичного усиления по току транзисторов оконечного каскада, – статический коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером.

Для определения номиналов элементов и подбора транзисторов соберем схему, изображенную на рис. 5.1.1 Подключим к ней источник тока и проведем моделирование.



Рисунок 5.1.1
Возьмем транзисторы 2N5877 и 2N5875, которые являются комплементарными. Их параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры транзисторов 2N5877 и 2N5875

Транзистор	2N5877	2N5875
тип	n-p-n	p-n-p
	60	-60
	10	-10
	150	150
	от 20	от 20

Определим максимальный ток коллектора:



Выходные характеристики приведены на рис. 5.1.2. Верхний график – ВАХ транзистора 2N5877 (n-p-n типа), нижний график – ВАХ транзистора 2N5875 (p-n-p типа). Как видно, характеристики получились идентичными, это означает, что транзисторы являются комплиментарными.



Рисунок 5.1.2 – Выходная ВАХ

Из выходной ВАХ получаем





Максимальная точка соответствует значениям: вторая же точка выбирается на отрезке ниже тока:



Снимем проходные ВАХ. Полученные зависимости представлены на рис. 5.1.3.



Рисунок 5.1.3 – Проходная ВАХ транзисторов

Проведя кусочно-линейную аппроксимацию, определим величины коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в рабочих точках:





Определим ток базы в рабочей точке, построив входную ВАХ, установив напряжение база-эмиттер, полученное ранее. ВАХ приведена на рис. 5.1.4.



Рисунок 5.1.4 – Значение токов базы

Из графика видно, что при величина тока базы в рабочей точке составляет . Величина при максимальном токе базы

Приращение напряжения на базе определяется следующим образом:



Определим величины номиналов резисторов и подберем ближайшие к ним из номинальных рядов:





Из стандартного ряда номиналов выберем , а

Рассчитаем мощности, выделяемые на резисторах:





На рисунке 5.5 приведена схема оконечного каскада с рассчитанными резисторами.


Рисунок 5.1.5 – Анализ по постоянному току

Как видно, результаты моделирования по постоянному току совпали с результатами расчетов при построении ВАХ.


На рисунке 5.1.6 представлен анализ по постоянному току схемы с номиналами резисторов из стандартного ряда.



Рисунок 5.1.6

Как видно из рисунка, концептуальных изменений не наблюдается.

Определим статический коэффициент передачи исходя из следующей формулы:


Определим, какое входное напряжение необходимо подать на вход оконечного каскада, чтобы обеспечить на выходе оконечного каскада Для этого установим частоту источника, равную центральной частоте, согласно ЛАЧХ:




Входной и выходной сигнал приведены на рис 5.1.7.



Рисунок 5.1.7.

Таким образом для обеспечения нужного выходного напряжения на вход оконечного каскада нужно подать 13.1 В.

Определим частотные характеристики оконечного каскада, которые приведены на рис. 5.1.8.



Рисунок 5.1.8 – частотные характеристики оконечного каскада
Определим входное сопротивление оконечного каскада. Для этого последовательно с источником сигнала установим токовый резистор , выставим амплитуду напряжения источника сигнала Замерим напряжение на резисторе. Временная диаграмма приведена на рис. 5.1.9.



Рисунок 5.1.9 – Напряжение на



Величина входного тока определяется следующим образом:



Входное напряжение можно найти, как разность напряжений источника сигнала и напряжения на :



Тогда входное сопротивление в режиме АВ:



Исходя из полученного значения , в предварительном усилителе можно использовать операционные усилители ОУ с допустимой величиной сопротивления нагрузки .

5.2 Расчет и моделирование схемы Дарлингтона

Определим величину тока в нагрузке:



Величина напряжения источника питания при двухполярном питании выходного каскада:



Выбираем ближайшее стандартное значение источника .

Определяем максимальное значение мощности, рассеиваемое коллектором транзистора выходного каскада при его работе в режиме А-В:



где – выбранное значение тока покоя транзистора выходного каскада.



Определяем требования, предъявляемые к транзисторам выходного каскада по току, напряжению и рассеиваемой мощности:









где – частота единичного усиления по току транзисторов оконечного каскада, – статический коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером.

Выберем транзисторы BD139 и BD140. Выберем значение на коллекторе равное току базы из исследований первой пары транзисторов:





Определим зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер. Результаты представлены на рис. 5.1.10.



Рисунок 5.1.10 – Проходная ВАХ

Получим:

По полученным значениям построим входную характеристику на рисунке 5.11.



Рисунок 5.1.11 – Значение токов базы

Таким образом из графика видно, что при величина тока базы в рабочей точке составляет .
По полученным параметрам определим величины сопротивлений делителя следующим образом:







Из стандартного ряда номиналов выберем , а

Рассчитаем мощности, выделяемые на резисторах:





Для уменьшения тока базы мощных транзисторов поставим резисторы , которые отвечают условию:



Таким образом оконечный каскад, построенный по схеме Дарлингтона, будет иметь вид, представленный на рис. 5.1.12.



Рисунок 5.1.12 – оконечный каскад по схеме Дарлингтона

Установим резисторы из стандартного ряда номиналов и выполним анализ по постоянному току (рисунок 5.1.13).



Рисунок 5.1.13
Как видно, концептуальных изменений в работе схемы при выборе элементов из стандартного ряда не наблюдается, в связи с чем, можно сделать вывод о том, что расчет выполнен верно.

Частотные характеристики данного ОК представлены на рис. 5.1.14.



Рисунок 5.14 – частотные характеристики

Временная диаграмма сигнала представлена на рис. 5.1.15.



Рисунок 5.1.15 – Входное и выходное напряжение
Как видно, для получения необходимого напряжения в нагрузке на вход оконечного каскада необходимо подать напряжение , которое будет являться напряжением нагрузки предоконечного каскада.

Определим входное сопротивление оконечного каскада. Для этого последовательно с источником сигнала установим токовый резистор , выставим амплитуду напряжения источника сигнала Замерим напряжение на резисторе. Временная диаграмма приведена на рис. 5.1.16.



Рисунок 5.1.16 – Напряжение на




Величина входного тока определяется следующим образом:



Входное напряжение можно найти, как разность напряжений источника сигнала и напряжения на :



Тогда входное сопротивление в режиме АВ:



Исходя из полученного значения , в предварительном усилителе можно использовать операционные усилители ОУ с допустимой величиной сопротивления нагрузки .

5.2 Схемотехническое моделирование предварительного каскада усилителя мощности

Рассчитаем коэффициент усиления всего усилителя:



В децибелах эта величина будет определяться следующим образом:



Тогда на каждый из каскадов будет приходиться примерно раз.ОУ отвечает приведенным выше требованиям, его справочные данные представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры ОУ

		, дБ
	5-30	70	700	15	7	0.4

В предварительном каскаде усилителя мощности выберем Тогда номиналы резисторов , а и .

Определим напряжение на входе предоконечного каскада:



Схема предоконечного каскада приведена на рис. 5.2.1



Рисунок 5.2.1 – Предоконечный каскад
Временная диаграмма приведена на рис. 5.2.2.



Рисунок 5.2.2 – Напряжение на выходе предоконечного каскада
Частотные характеристики предоконечного каскада приведены на рис. 5.2.3.



Рисунок 5.2.3 – ЛАЧХ и ЛФЧХ предварительного каскада

5.3 Схемотехническое моделирование усилителя мощности

Соединим схему оконечного каскада и предварительного в общую схему. Ее внешний вид и анализ по постоянному току приведен на рис. 5.3.1.



Рисунок 5.3.1 – Оконечный и предварительный каскад

Временная диаграмма на выходе УНЧ приведена на рис. 5.3.2.



Рисунок 5.3.2 – Сигнал на выходе УНЧ

Для получения необходимого значения на вход УНЧ необходимо подать напряжение .

На рис. 5.3.3. приведены частотные характеристики УНЧ.



Рисунок 5.3.3 – Частотные характеристики УНЧ

5.4 Схемотехническое моделирование фильтра нижних частот

- коэффициент усиления ;

- частота среза фильтра ;

- входное сопротивление ;

- сопротивление нагрузки .

Зададимся коэффициентом усиления , таким образом



Так как , будет равно



Выберем следующие номиналы , .

Емкость определим из следующего выражения



Из стандартного ряда номиналов выберем емкость для обеспечения требуемой частоты среза фильтра .

Принципиальная схема фильтра приведена на рис. 5.4.1.



Рисунок 5.4.1


Так как напряжение на входе фильтра Осциллограмма выходного напряжения приведена на рис. 5.4.2.



Рисунок 5.4.2– Сигнал на выходе ФНЧ
ЛАЧХ и ЛФЧХ фильтра приведены на рис. 5.4.3.



Рисунок 5.4.3 – ЛАЧХ фильтра

5.5 Схемотехническое моделирование фильтра верхних частот

На рис. 5.5.1 приведена принципиальная схема ФНЧ. Зададимся следующими параметрами для расчета и моделирования:

- коэффициент усиления ;

- частота среза фильтра ;

- входное сопротивление ;

- сопротивление нагрузки .

Зададимся коэффициентом усиления , таким образом



Так как , определяется из выражения выше, выберем следующие номиналы , .

Емкость определим из следующего выражения



Из стандартного ряда номиналов выберем емкость для обеспечения требуемой частоты среза фильтра . Резистор регулирует постоянную составляющую.



Рисунок 5.5.1 – Принципиальная схема фильтра

Так как , напряжение на входе фильтра .

На рис. 5.5.2 приведена осциллограмма напряжения на выходе фильтра.



Рисунок 5.5.2 – Осциллограмма на выходе фильтра

ЛАЧХ фильтра приведена на рис. 5.5.3.



Рисунок 5.5.3 – ЛАЧХ фильтра

5.6 Схемотехническое моделирование входного каскада

На рис. 5.6.1 приведена принципиальная схема входного каскада усилителя мощности. Входное напряжение фильтра верхних частот Согласно ТЗ входное напряжение а входное сопротивление . Таким образом . Определим требуемый коэффициент усиления исходя из соотношения



Зная коэффициент усиления и входное сопротивление определим величину резистора обратной связи



Возьмем резистор



Рисунок 5.6.1 – Входной каскад

Временная диаграмма приведена на рис. 5.6.2.



Рисунок 5.6.2

ЛАЧХ и ЛФЧХ приведена на рис. 5.6.3.



Рисунок 5.6.3

6. Результаты схемотехнического моделирования исследуемого устройства

Схема электрическая принципиальная исследуемого устройства и перечень элементов схемы приведены в приложении В и Г соответственно. Амплитуда входного напряжения: U_вх =15 мВ; Входное сопротивление: R_вх = 10 кОм; Форма ЛАЧХ представлена на рис. 1; Частоты среза: f_н = 50 Гц, f_в = 11 кГц. Выходное сопротивление (значение сопротивления нагрузки) Rн = 15 Ом; Выходная амплитуда напряжения (амплитуда напряжения в нагрузке) U_н = 12 В. Временная диаграмма выходного напряжения приведена на рис. 6.1, выходного тока на рис. 6.2.



Рисунок 6.1 – Выходное напряжение



Рисунок 6.2 – Выходной ток

Схема электрическая принципиальная, полученная с помощью графического редактора MC 10 показана на рис. 6.3.



Рисунок 6.3 – Схема электрическая принципиальная в графическом редакторе

ЛАЧХ УНЧ представлена на рис. 6.4.



Рисунок 6.4 –ЛАЧХ УНЧ

ЛФЧХ приведена на рис. 6.5.



Рисунок 6.5 – ЛФЧХ УНЧ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом выполнения курсового проекта является схема электрическая принципиальная избирательного усилителя, параметры и характеристики которого соответствуют техническому заданию.

Работа над данным проектом велась в основном в пакете MicroCap 10. В ходе работы были получены навыки работы с общим интерфейсом пользователя пакета программ МС10, освоена работа с программными средствами графического ввода принципиальной электрической схемы, и работа с базой данных пакета программ МС10. Содержанием проектирования стал детальный анализ исследуемого устройства, проверка его работоспособности, условий функционирования его отдельных каскадов, а также основных параметров и характеристик всего устройства в целом. Для получения необходимых результатов и выполнения поставленных задач был использован основной функционал системы схемотехнического моделирования MC10. В ходе построения принципиальных схем устройства были закреплены навыки работы с учебной литературой, а также поиск необходимых для корректного функционирования проектируемого устройства справочных данных. Кроме того, при оформлении полученных результатов были приобретены навыки по работе с технической документацией, ознакомление с основными стандартами её оформления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Амелина М.А., Амелин С.А. – Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. – Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2012. – 617 с.

2 Горбатенко В.В - Методические указания по лабораторным работам № 1-4 «Основы компьютерного проектирования радиоэлектронных средств»- Воронеж ВГТУ 2016- 30с.

3 Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник, А. В. Нефёдов – М.: РадиоСофт, 2000.

4 Конденсаторы: Справочник: И. В. Михайлов, А. И. Прошин - М.: Энергия, 1973.

5 Полупроводниковые приборы, транзисторы: Справочник под редакцией Н.Н. Горюнова – М.: Энергоатомоиздат, 1985.

6 Резисторы: Справочник, - Под ред. И. И. Четверткова - М.: Энергоиздат, 1981.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

А1 Схема электрическая принципиальная исследуемого устройства

А2 Перечень элементов схемы электрической принципиальной

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Б1 Схема электрическая принципиальная избирательного усилителя

Б2 Перечень элементов схемы электрической принципиальной