курсовая. Курсовой проект Расчёт преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора

Название	Курсовой проект Расчёт преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора
Анкор	курсовая
Дата	17.11.2022
Размер	373.38 Kb.
Формат файла
Имя файла	Preobrazovatel_sinusoidalnogo_signala_v_pryamougolnyi_774_na_osn.docx
Тип	Курсовой проект #795312

Министерство образования Республики Беларусь

Филиал БНТУ

«Минский государственный политехнический колледж»

Специальность

2-41 01 31 «Микроэлектроника»

Курсовой проект

Расчёт преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный

на основе аналогового компаратора

Пояснительная записка

КП 46В2б.05.00.00.000 ПЗ

Разработал Е.А. Осипович

Руководитель А.О. Гаврош

2022

Содержание

Введение 4

1 Литературный обзор 5

2 Анализ исходных данных 12

3 Разработка электрической структурной схемы преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора 13

4 Разработка электрической принципиальной схемы преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора 14

5 Расчет преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора 15

6 Выбор элементной базы 16

Заключение 19

Литература 20

Перечень ТНПА 21

Введение
В наше время сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащена электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает с связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.

Курсовой проект по дисциплине «Основы электроники и микроэлектроники» является завершающим этапом изучения учебной дисциплины. Целью этого курсового проекта является закрепление знаний и их применение на опыте. Задача данного проекта – научиться рассчитывать преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора, а также разрабатывать структурную и принципиальную схемы этого устройства.
1 Литературный обзор
Компараторы представляют собой операционные усилители (ОУ) специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений. В зависимости от того, какое напряжение больше другого, выход компаратора может находиться в одном из двух состояний – логического нуля или логической единицы. Компаратор имеет высокую чувствительность и способен реагировать на разность входных напряжений меньше 1 милливольта. В качестве компаратора может применяться обычный ОУ при условии отсутствия сопротивления обратной связи между выходом и инвертирующим входом. В таком включении ОУ имеет очень высокий коэффициент усиления (порядка десятков-сотен тысяч раз) и может применяться во многих компараторных схемах.

В современной схемотехнике предпочтение отдается специально спроектированным компараторам, более удобным для применения. Компараторы нашли применение в схемах контроля величин напряжений, аналого-цифрового преобразования, сдвига уровней сигналов и множестве других схем. Питание компараторов может осуществляться как от двухполярных, так и от однополярных источников питания, входные напряжения также могут иметь различную полярность.

Компаратор применяют в следующих схемах:

- триггер Шмитта (схема формирования сигнала), который преобразует произвольный сигнал в прямоугольный или импульсный;

- детектор нуля – схема, индицирующая момент и направление прохождения входного сигнала через 0 В;

- детектор уровня – схема, индицирующая момент достижения входным напряжением данного уровня опорного напряжения;

- генератор сигналов прямоугольной или треугольной формы.

Рисунок 1.1 - УГО Компаратора
На рисунке 1.2 показана схема детектора нуля. Нулевое опорное напряжение подано на неинвертирующий вход, а Е_вх подано на инвертирующий вход. Во входной цепи компаратора Е_вх сравнивается с опорным нулем, и состояние выхода говорит нам, положительно или отрицательно Е_вх относительно этого опорного напряжения.

Рисунок 1.2 – Детектор нуля
В данном случае U_вых становится равным – U_нас при положительном Е_вх, т.е. на промежутке от 0 до А. В течение времени от А до В, когда Е_вх ниже нулевого опорного напряжения, U_вых = U_нас. (см. рис. 1.3)

Рисунок 1.3 – Диаграмма работы детектора нуля

Детекторы уровня, которые представлены на рисунке 1.4 – это устройства, позволяющие сравнивать испытуемое напряжение с любым, наперед заданным, эталонным напряжением. Принцип их действия аналогичен принципу действия детекторов нуля, но в отличие от детектора нуля здесь на один из входов относительно точки отсчета напряжений подается эталонное напряжение, а на другой вход испытуемое. В результате получается либо неинвертирующий, либо инвертирующий детектор уровня, представленный на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 – Детектор уровня

Рисунок 1.5 – Форма сигналов на входе и на выходе схемы

Триггер Шмитта, представлен на рисунке 1.6. Это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы.

Рисунок 1.6 – Триггер Шмитта на аналоговом компараторе
Операционный усилитель запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания. На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя можно рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения по формулам ниже.

Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) (1.1)
Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) (1.2)

Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит.

Как только сигнал превысит порог в 1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт.

Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова

«переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.

На графике, который представлен на рисунке 1.7, наблюдаем, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

Рисунок 1.7 – График зависимости входного сигнала ОУ от выходного

Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории.

Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса, которая представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – График гистерезиса,

где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог
Uht = +Usat*R2/(R2+R1) (1.3)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1) (1.4)
2 Анализ исходных данных
Исходные данные для расчета преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Исходные данные

Частота входного сигнала, кГц	Амплитуда входного сигнала, В
1 кГц	2 В

Амплитуда - максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении.

Частота (сигнала) — Параметр, представляющий собой величину, обратную периоду сигнала. Скорость, с которой происходит изменение переменного тока и которая измеряется в герцах.

3 Разработка электрической структурной схемы преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора.
Электрическая структурная схема преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора представлена в графической части КП 46В2б.05.00.00.000 Э1.

Структурная схема преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора состоит из следующих блоков:

- ИС - источник сигнала. Сигнал, предназначенный для преобразования.

- ИП - источник питания. Питает АК (аналоговый компаратор).

- АК - аналоговый компаратор. Преобразовывает сигнал из синусоидального в прямоугольный.

- ПОС - положительная обратная связь. Предназначена для создания гистерезиса в схеме.

- ВХ - Выход сигнала. Выход преобразованного сигнала.
4 Разработка принципиальной структурной схемы преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора.
Электрическая принципиальная схема преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора представлена в графической части КП 46В2б.05.00.00.000 Э3.

Принципиальная схема преобразователя состоит из аналогового компаратора U1, д

вух источников V1 и V2, резисторов R1 и R2.

Компаратор питается от двухполярного источника питания. Через делитель напряжения построенный на резисторах R1 и R2 осуществляется положительная обратная связь. Входом для сигнала является инвертирующий контакт компаратора.

5 Расчёт преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора
Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя можно рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения по формулам ниже.

Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В (5.1)

Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В (5.2)

6 Выбор элементной базы
В данной схеме нет элементов, которые необходимо было бы рассчитать, однако, есть элементы, номиналы которых были установлены в ходе моделирования. Так, получили значения токоограничивающих сопротивлений R2 = 10 кОм; и R1 = 25 кОм.

В принципиальной схеме устройства в качестве компаратора напряжений используется аналог прецизионного компаратора коммерческого назначения LM358D.

Микросхема LM358D представляет собой два независимых, частотно-компенсированных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления.

Предназначены для работы в радиоаппаратуре и электронной технике широкого применения от одного или сдвоенного источника питания в широком диапазоне напряжений.

исунок 6.1 – Корпус и распиновка LM358D
Таблица 6.1 – Характеристики LM358D

Напряжение смещения	±2mV(тип) / ±7mV(макс)
Синфазный входной ток	20nA(тип)/ 150nA
Дифференциальный входной ток	±2nA(тип) / ±30nA
Выходной ток	20mA / 40mA(тип) / 60mA
Коэффициент ослабления синфазных помех	70dB / 85dB(тип)

Коэффициент усиления по напряжению	50V/mV(тип) / 100V/mV
Коэффициент гармонических искажений	0,02%
Ток потребления	0,7mA(тип) / 2,0mA
Скорость нарастания	0,3V/µS(тип) / 0,6V/µS
Граничная частота	0,7MHz(тип) / 1,1MHz(макс)
Напряжение питания	+32V или ±16V
Входное напряжение	-0,3..+32V
Дифференциальное входное напряжение	32V
Выходной ток	40mA
Диапазон температур	0..+70°С

Продолжение таблицы 6.1

В принципиальной схеме устройства в качестве сопротивлений будут использоваться резисторы общего назначения, так как нет дополнительных условий эксплуатации. Основные характеристики приведены в таблице 6.2; в таблице 6.3 приведен температурный коэффициент сопротивления.

Рисунок 6.2 – Резистор

Номинальная мощность, Вт	Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	Размеры, мм				Масса, г
Номинальная мощность, Вт	Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	D	L	l	d	Масса, г
0,5	100…1×10⁶	2,2	6,0	20	0,5	0,2
0,5	100…2×10⁶	3,0	7,0	20	0,6	0,3

Таблица 6.2 – Основные характеристики резистора

Таблица 6.3 – Температурный коэффициент сопротивления

Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	ТКС, 10^-61/^оС
Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	от -60 до +20	от +20 до +315
До 0,51×10⁶	±1200	±700
0,51×10⁶ и выше	±1600	±1000

Выбраны следующие резисторы:

– С2–6 – 0,5 – 25 кОм ±5%;

– С2–6 – 0,5 – 10 кОм ±5%.

Заключение
В курсовом проекте был выполнен расчёт преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора.

В первом разделе был произведён литературный обзор схемы. Литературный обзор представляет собой рассмотрение и анализ наиболее простых для расчета электрических принципиальных схем, которые максимально соответствуют заданию курсового проекта.

Во втором разделе был произведён анализ исходных данных. Анализ задания ‒ необходимый элемент разработки любого изделия.

В третьем разделе составил структурную схему. Структурная схема разрабатывается после выполнения анализа задания и включает наиболее важные и существенные блоки, структуру и связи ЭУ. Структурная схема состоит из блоков, показывающих все основные функциональные части ЭУ и основные взаимодействия между ними.

В четвёртом разделе разработал принципиальную схему устройства. Разработка принципиальной схемы заключалась в выборе одной из известных схем, наиболее полно удовлетворяющей заданию совокупностью технико-экономических требований при максимальной простоте его и надежности.

В пятом разделе рассчитал параметры преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный на основе аналогового компаратора. Основной задачей расчета является определение значений электрических параметров компонентов принципиальной схемы. Расчёт оказался правильным, так как были правильно выбраны активные элементы и определены номинальные значения параметров всех пассивных элементов.

В шестом разделе выбрал элементную базу для схемы. В данном разделе необходимо было подобрать радиоэлементы по ближайшим номиналам и мощности, указал маркировку выбранных элементов.

Л итература
1 Гусев, В. Г. Электроника/ В. Г. Гусев. - М.: Издательский «Академия», 2008.

2 Горбачев, Г. Н. Промышленная электроника/ Г. Н. Горбачев. - М.: Энергоатомиздательство , 1988.

3 Бочаров, Л. Н. Расчет электронных устройств на транзисторах/ Л. Н. Бочаров. - М.: Энергия, 1978.

4 Титце, У. Н. Полупроводниковая схемотехника/ У. Н. Титце. - М.: Мир, 1982.

5 Вениаминов, В. Н. Микросхемы и их применение/ В. Н. Вениаминов. - М.: Радио и связь, 1989.

6 Криштафович, А. Г. Основы промышленной электроники/ А. Г. Криштафович. - М.: Высшая школа, 1985.

7 Галкин, В. И. Промышленная электроника/ В. И. Галкин. - Минск.:Беларусь,2000.

8 Бельский, А.Я. Электронные приборы: электронные компоненты и аналоговые устройства. Учеб. – метод. Пособие/ А.Я. Бельский. – Минск : БГУИР, 2013

9 Глинкин, Е.И. Схемотехника аналоговых интегральных микросхем / Е.И. Глинкин. – М. : ФГБОУ ВПО «ТГТУ»,2012
Перечень ТНПА
ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

ГОСТ 2.104-2006 ЕСКД Основные надписи.

ГОСТ 2.105-95 ЕСКД Общие требования к текстовым документам

ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.302-68 ЕСКД. Масштабы.

ГОСТ 2.710-81 ЕСКД Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

ГОСТ 2.721-74 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.

ГОСТ 2.728-74 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.

ГОСТ 2.747-68 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Размеры условных графических обозначений.

ГОСТ 3.1130-93 ЕСТД. Общие требования к формам и бланкам документов.

ГОСТ 3.1201-85 ЕСТД. Система обозначения технологической документации.

ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

ГОСТ 1494-77 Электротехника. Буквенные обозначения основных величин.

ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения.

СТО 07-2011 Правила выполнения текстовых документов.