Диплом. Обоснование выбора датчиков проектируемого прибора
 Скачать 2.23 Mb.
|
Расчет элементов электрической схемы проектируемого прибора.Все элементы разрабатываемого прибора питаются постоянным напряжением +5В. Для стабилизации питания микросхемы применяем стабилизатор напряжения в интегральном исполнении марки К142ЕН5А. Элементом типовой схемы стабилизатора является конденсатор С10, этот конденсатор обязательно должен быть танталовым. Следовательно, выбираем конденсатор марки К52-1 47мкФ10% на 6,3 В. После выхода с блока питания напряжение, пониженное до необходимого значения и выпрямленное, необходимо очистить от высокочастотных наводок и сгладить возможную пульсацию в сети. Для этих целей выберем конденсаторы следующих марок: для подавления высокочастотных наводок – конденсатор небольшой емкости марки К10-17 0,1мкФ10% П33 на 25В. а для сглаживания пульсации– конденсатор достаточно большой емкости марки К50-38 1000пкФ10% на 16В. Для индикации режима работы блока питания выберем светодиод VD4 красного цвета марки АЛ307В. Его характеристики приведены в таблице 3. Характеристики светодиода АЛ307В Таблица 3
Определим сопротивление резистора R21 шунтирующего светодиод VD1. Ток, протекающий через светодиод Iсв=10мА, напряжение на светодиоде Uсв=2,5В, тогда  Принимаем R21=22020% Ом. Рассеиваемая резистором R21 мощность будет равна: Р R21=Iсв2* R21=(10*10-3)2*220=0,0022 Вт. Выбираем резистор марки: С2-33-0,125 22020%. Определим сопротивление резистора R1. Оно должно удовлетворять следующему условию: 5кОм < R1 < 1МОм. Значение 1МОм – определяется технологическими причинами, т.е. проводимостью диэлектрика, на котором монтируется этот резистор. Значение 5кОм – определяется максимальной нагрузочной способностью логического элемента генератора К561-ЛН2. Следовательно, R1 найдем по следующей формуле:  , гдеUвых.лог.эл.=5В – напряжение на выходе логического элемента генератора К561- ЛН2, оно приблизительно равно напряжению питания, Iнагр.max.=10мА - максимальный ток нагрузки логического элемента. Тогда найдем R1:  Частота модулированного сигнала идущего с генератора f=20кГц 10%, тогда постоянная времени будет равна:  Постоянная времени генератора находится также по формуле = R1*С1, тогда отсюда найдем С1:  Т.к. ряд номиналов емкостей наиболее насыщен чем ряд сопротивлений резисторов, то сначала выбираем емкость С1, а затем рассчитываем R1. Выбираем конденсатор емкостью С1 марки: К10-47 1нФ10% Н30 25В (керамический). Отсюда  Принимаем R1=47кОм 10%. Рассеиваемая резистором R1 мощность будет равна: Р R1=Iл.э.2* R1=(1*10-3)2*47*103=0,047 Вт. Выбираем резистор R1 марки: С2-33-0,125 47к20%. В качестве излучающего диода выбираем диод марки АЛ107Б с инфракрасным спектром излучения, для уменьшения влияния видимого спектра излучения на результаты измерения, с характеристиками, приведенными в таблице 4. Характеристики светодиода АЛ107В Таблица 4
Определим транзистор VT1, исходя из следующих условий: Uкб > 2*Eк=2*5=10 В; Iк > 2*Iнагр.=2*10*10-3= 20 мА. Ток коллектора примем равным 10мА (ток светодиода). По расчетным значениям выбираем транзистор типа КТ315Г. Основные характеристики транзистора приведены в таблице 5. Характеристики транзистора типа КТ315Г Таблица 5
Определим сопротивление резистора R2, стоящего в цепи базы транзистора VT1. Его значение также должно удовлетворять условию 5кОм  , гдеIк - ток коллектора VT1; (h21)- коэффициент усиления по току.  Отсюда найдем сопротивление резистора R2:  гдеUлог.1- напряжение на элементе логической единицы микросхемы К561-ЛН2. Принимаем R2=10 кОм. Рассеиваемая резистором R2 мощность будет равна: Р R2=Iб.2* R2=(0,14*10-3)2*10*103=0,196 мВт. Выбираем резистор R2 марки: С2-33-0,125 10к20%. Найдем сопротивление нагрузочного резистора R3 светодиода VD1 в цепи транзистора VT1.  гдеU=5В - напряжение питания схемы; Uбэ=0,6В – напряжение в цепи база-эмиттер; Iк=7*10-3мА - ток коллектора транзистора VT1. Выбираем R3=510 Ом. Рассеиваемая резистором R3 мощность будет равна: Р R3=Iк.2* R3=(7*10-3)2*510=0,025 Вт. Выбираем резистор R3 марки: С2-33-0,125 51010%. В этой схеме будет работать любой фотодиод, поэтому используем фотодиод VD2 марки ФД256, характеристики которого приведены в таблице 6. Характеристики фотодиода марки ФД256 Таблица 6
Определим сопротивление резистора R4, оно должно быть очень большим, чтобы не перегружать фотодиод VD2, порядка нескольких десятков кОм. Выберем сопротивление резистора R4= 10 кОм10%. Найдем рассеиваемую резистором R3 мощность: Р R4=Iф.д.2* R4=(0,005*10-9)2*10*103=0,25*10-12 Вт, где Iфд=0,005мкА - максимальный обратный ток, протекающий через фотодиод. Выбираем резистор R4 марки: С2-33-0,125 10к10%. Транзистор VT2 выбираем из условия, что h21 (коэффициент усиления по току) должен быть как можно больше, чтобы повысить чувствительность схемы. Исходя из этого, выбираем транзистор марки КТ3130Г9, с характеристиками приведенными в таблице 7. Характеристики транзистора типа КТ3130Г9 Таблица 7
Рассчитаем сопротивление резистора R5 в цепи коллектора транзистора VT2, оно должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить влияние на постоянную времени фильтра С2-R6. При открытом транзисторе VT2 на резисторе будет напряжение около 5В, а через коллектор будет протекать ток, примерно равный Iк=1мА, тогда  Выберем сопротивление резистора R5= 5,1 к10%. Найдем рассеиваемую резистором R5 мощность: Р R4=IкVT2.2* R5=(1*10-3)2*5,1*103=0,0051 Вт. Выбираем резистор R5 марки: С2-33-0,125 5,1к10%. Рассчитаем фильтр низких частот собранный на элементах С2-R6. Постоянная времени фильтра ф определяется постоянной среза фильтра fср=50-100 Гц. Т.к. фильтр очень простой и обладает плохой крутизной характеристики, то для уверенной фильтрации выбираем fср=400 Гц, что во много раз меньше частоты основного сигнала fос. сигн. (20 кГц). Тогда,  Примем С2=0,1мкФ, следовательно, можно будет определить сопротивление резистора R6:  Принимаем R6=33кОм 10%. Рассеиваемая резистором R6 мощность будет равна: Р R6=UR62/R6=(5)2*33*103=0,757 мВт. Выбираем резистор R6 марки: С2-33-0,125 33к10% а конденсатор марки: К10-17а 0,1мкФ 10% П33 25В. Теперь определим элементы фильтра высоких частот R7-C3. Он необходим для увеличения помехоустойчивости устройства. Постоянная фильтра C3-R7 должна быть нескольких периодов тактовой частоты генератора (20кГц). Т.к. изменение частоты f сигнала не более 1000Гц, его C3-R7 можно принять 1кГц. Тогда,  Емкость конденсатора С3 примем равной 0,1 мкФ, отсюда  Принимаем R7=10кОм 10%. Рассеиваемая резистором R7 мощность будет равна: Р R6=UR72/R7=(5)2/10*103=0,0025 Вт. Выбираем резистор R6 марки: С2-33-0,125 10к10%, а конденсатор марки: К10-17а 0,1мкФ 10% П33 25В. Диод VD3 элемент типовой схемы фильтра марки КД522А, его основные характеристики приведены в таблице 8. Характеристики диода КД522А Таблица 8.
Элементы VD3, R8, VT3, R9, C4, R10, C5 и R11 рассчитываются и выбираются аналогично элементам схемы VD2, R4, VT2, R5, C2, R6, C3 и R7, их марки и номиналы одинаковы. Светодиод VD6 выбираем по тем же соображениям что и VD1, марки АЛ107Б, его характеристики приведены в таблице 2. Рассчитаем нагрузочное сопротивление R12 в цепи светодиода VD6.  Принимаем R12=510 Ом 10%. Рассеиваемая резистором R7 мощность будет равна: Р R12=Iсд2*R12=(7*10-3)2*510=0,025 Вт. Выбираем резистор R12 марки: С2-33-0,125 510к10%. Элементы VD7, R13, VT4, R14 рассчитываются и выбираются аналогично соответственно элементам схемы VD2, R4, VT2 и R5.7, их марки и номиналы одинаковы. Элементы фильтра C6-R15 рассчитываются по тем же соображениям и формулам, т.е.  Примем С6=0,1мкФ, следовательно, можно будет определить сопротивление резистора R15:  Принимаем R6=22кОм 10%. Рассеиваемая резистором R15 мощность будет равна: Р R15=UR152/R15=(5)2/22*103=1,1 мВт. Выбираем резистор R15 марки: С2-33-0,125 22к10%, а конденсатор С6 марки: К10-17а 0,1мкФ 10% П33 25В. Элементы высокочастотного фильтра С7-R16 рассчитываются исходя из следующих условий. Сигнал по этому каналу идет с f=2330 Гц. Это значение и примем за постоянную среза фильтра. Тогда постоянная времени будет равна:  Примем С7=0,1мкФ, следовательно, можно будет определить сопротивление резистора R15:  Принимаем R6=5,1кОм 10%. Рассеиваемая резистором R16 мощность будет равна: Р R15=UR162/R16=(5)2/5,1*103=4,9 мВт. Выбираем резистор R16 марки: С2-33-0,125 5,1к10%, а конденсатор С6 марки: К10-17а 0,1мкФ 10% П33 25В. Для индикации режима работы микроконтроллера выбираем светодиод красного цвета марки АЛ307В (таб.1), исходя из этого, выбираем VT5 аналогично VT1 марки КТ315Г (таб.3). Сопротивления резисторов R17 и R18 рассчитываются аналогично R2 и R3. Чтобы исключить обгорание контактов в блоке сброса, примем R20=100 Ом 10%. Рассеиваемая резистором R20 мощность будет равна: Р R20=UR202/R20=(5)2/100=0,25 Вт. Т.к. протекание тока кратковременное, то можно выбирать резистор R20 марки: С2-33-0,125 10010%. Элементы R18 и C11 являются элементами типовой схемы блока сброса. Они рассчитываются из условия быстродействия блока, которое должно составлять порядка нескольких микросекунд. Принимаем R18=7,5 кОм 10% и C11=10мкФ10% 6,3В. Выбираем резистор R18 марки: С2-33-0,125 7,5к10%, а конденсатор марки: К52-1 47мкФ10% на 6,3 В. Для преобразования ТТЛ-уровня микроконтроллера в интерфейс RS-232 используем микросхему марки MAX3232EPE, включенную по типовой схеме рекомендованной фирмой производителем. |
, мкм