Пособие 2017 Сх новое 12.10.16. Применение современных сапр в схемотехнике электронных устройств
 Скачать 3.74 Mb.
|
|
Лабораторные и практические занятия Процесс эмуляции аналоговых электронных устройств является очень важным этапом их проектирования, но в настоящее время этот процесс не может полностью заменить их физическое макетирование, поскольку ни одна формализация не является универсальной. Действительно, при эмуляции во многих случаях выбираются упрощенные схемы замещения компонентов, не полностью адекватные условиям работы реального устройства. И только диалоговое взаимодействие процессов эмуляции и эксперимента позволяет существенно уменьшить количество циклов схемотехнического проектирования и тем самым достаточно быстро осуществить разработку сложных аналоговых электронных устройств. В лабораторном практикуме и на практических занятиях для эффективного диалогового взаимодействия между эмуляцией и экспериментом удобно использовать совместную работу систем Multisim и NI ELVIS. В процессе проектирования аналоговых электронных устройств важно не только эмуляцию проверить экспериментом, но и, наоборот, убедиться в достоверности экспериментальных данных (NI ELVIS), проверив их на эмуляторе Multisim. Для примера рассмотрим схему усилителя переменного тока, реализованного на неинвертирующем и инвертирующем РУ (рис. 3.1), и представленного в лабораторной работе «Усилители переменного тока и фильтры на базе интегральных ОУ».  Рис. 3.1. Схема усилителя переменного тока Экспериментальные частотные характеристики этого усилителя, полученные с использованием «Анализатора Боде» системы NI ELVIS, приведены на рис. 3.2.  Рис. 3.2. ЛАЧХ и ФЧХ усилителя переменного тока Они подтверждают ту мысль, что в усилителе, реализованном на двух усилительных подсхемах (рис. 3.1), можно получить значительно более широкую полосу пропускания по сравнению, например, с усилителем на одном неинвертирующем РУ. При этом сравниваются усилители, реализованные на одинаковых интегральных ОУ и имеющие в полосе пропускания коэффициент усиления по напряжению – 1000. Однако в экспериментальных характеристиках (рис. 3.2) есть непонятный факт: на частоте 20 кГц имеем всплеск на ЛАЧХ при его отсутствии на ФЧХ. Тогда исследуем схему (рис. 3.1) на эмуляторе Multisim при тех же значениях параметров компонентов и убеждаемся, что при эмуляции частотные характеристики усилителя аналогичны приведенным на рис. 3.2, только указанный всплеск отсутствует. В этом случае с высокой степенью достоверности можем утверждать, что данный всплеск обусловлен сбоем “Анализатора Боде” на частоте 20 кГц, близкой к границе его частотного диапазона. Последующие экспериментальные исследования усилителя в системе NI ELVIS с использованием осциллографа подтвердили этот вывод. На основе совместного использования систем Multisim и NI ELVIS можно организовать фронтальный цикл лабораторных работ по аналоговой схемотехнике. При фронтальном методе все бригады в группе выполняют одну работу, что наиболее комфортно как для студента, так и для преподавателя. Каждая лабораторная работа проводится после прочитанной лекции по данному материалу, что значительно облегчает его понимание студентами. Преподаватель, ведущий лабораторную работу, дает по ней общие для всей группы рекомендации и осуществляет связь этой работы с лекционным материалом. При этом ему не нужно распылять свое внимание между разными лабораторными работами, как это происходит в обычной практике. Основная трудность на пути создания фронтального цикла лабораторных работ, связанных с экспериментальными исследованиями аналоговых устройств, состоит в реализации большого числа натурных макетов. Например, в лабораторном цикле из 6 работ при наличии 6 бригад в группе необходимо иметь 36 макетов. Совместное применение во фронтальном цикле систем Multisim и NI ELVIS позволяет успешно решить эту проблему. При фронтальном цикле на базе систем Multisim и NI ELVIS все 6 бригад выполняют одну работу, например «Решающие усилители», из них 3 бригады занимаются экспериментом (NI ELVIS) и 3 бригады – эмулированием (Multisim); потом они меняются местами. Каждая из бригад сравнивает свои результаты эмуляции с экспериментом. Очевидно, что при эмуляции натурные макеты не нужны, при этом для 6 лабораторных работ и 6 бригад нужно иметь всего 18 макетов вместо 36. В том случае, когда поставлена задача проведения только экспериментальных исследований в системе NI ELVIS, то на 18 макетах для 6 бригад организуется полуфронтальный цикл: 3 бригады выполняют одну работу, 3 бригады – другую. Таким образом, совместное применение систем Multisim и NI ELVIS позволяет организовать фронтальный цикл лабораторных работ по аналоговой схемотехнике с минимальным числом натурных макетов, а также провести в каждой работе сравнение результатов эмуляции с экспериментом. Курсовое проектирование Совместное использование систем Multisim и NI ELVIS в процессе курсового проектирования аналоговых электронных устройств позволяет студентам максимально приблизиться к условиям работы в современных проектных организациях, в частности, минимизировать объем ручных расчетов. При этом студентами выполняются следующие схемотехнические проектные процедуры: – Выбор схемы аналогового электронного устройства. – Прикидочный ручной расчет. – Моделирование выбранной схемы в системе Multisim. – Экспериментальное исследование устройства в системе NI ELVIS. Следует отметить, что прикидочный ручной расчет не должен занимать у студентов много времени (любой тип расчета – не более часа). Совершенно недопустимо, например, вручную рассчитывать частотные характеристики сложных аналоговых электронных схем с учетом инерционностей биполярных и полевых транзисторов. Эти и другие сложные задачи анализа быстро и успешно решаются моделированием схемы в системе Multisim, а окончательное экспериментальное исследование разработанного устройства осуществляется в системе NI ELVIS. Таким образом, применение систем Multisim и NI ELVIS позволяет существенно улучшить качество учебного процесса в курсовом проектировании по дисциплине «Схемотехника. проектирование аналогового электронного устройства с использованием систем Multisim и NI ELVIS Целью курсового проекта «Высококачественное усилительное устройство переменного тока» является приобретение студентами навыков расчета и проектирования микроэлектронных устройств на базе систем Multisim и NI ELVIS, использования справочной литературы, оформления технической документации. При выполнении курсового проекта студенты разрабатывают функциональную и принципиальную схемы усилителя, рассчитывают и выбирают входящие в его состав компоненты, определяют уточненные статические и динамические параметры электронного устройства. На заключительном этапе проектирования оформляются пояснительная записка и чертеж принципиальной электрической схемы усилителя, выполненный в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). При проведении курсового проектирования предлагается примерное содержание пояснительной записки, включающей следующие разделы: Техническое задание (ТЗ). 1. Выбор схемы усилителя переменного тока. 1.1. Построение усилителя на основе инвертирующего решающего усилителя (РУ). 1.2. Схемная реализация усилителя на базе неинвертирующего РУ. 1.3. Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем. 2.Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim. 2.1.Усилитель с одной усилительной подсхемой. 2.2.Усилитель с двумя усилительными подсхемами. 3.Экспериментальное исследование усилителя переменного тока в системе NI ELVIS. 3.1.Усилитель на одном неинвертирующем РУ. 3.2.Усилитель на неинвертирующем и инвертирующем РУ. 4.Проектирование мощного выходного каскада усилителя. Заключение. Литература. Техническое задание Усилитель переменного тока должен быть реализован на маломощных интегральных операционных усилителях (ОУ) с выходной мощностью не более 100 мВт. Для обеспечения большой выходной мощности всего усилителя переменного тока, отдаваемой в нагрузку (10 – 15 Вт), на его выходе может быть использован выходной каскад на дискретных компонентах. Выходные транзисторы этого каскада могут устанавливаться на теплоотвод. Таблица 4.1
Таблица 4.2
В табл. 4.1 приведены значения параметров усилителя переменного тока, соответствующие вариантам 1 – 8 технического задания, в табл. 4.2 – вариантам 9 – 16. Выбор схемы устройства На первом этапе проектирования осуществляется выбор схемы усилителя переменного тока путем сравнения друг с другом на соответствие требованиям ТЗ инвертирующего РУ, неинвертирующего РУ и усилителя на основе двух усилительных подсхем [5]. Для этих усилителей проводится ручной расчет схем, в результате которого исключаются из дальнейшего рассмотрения усилители, не обеспечивающие требований ТЗ. Для оставшихся усилителей осуществляется подготовка схем к моделированию в системе Multisim. Следует отметить, что прикидочный ручной расчет не должен занимать у студентов много времени (любой тип расчета – не более часа). При построении усилителей переменного тока на ОУ широкое применение получила схема инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе, представленная на рис. 4.1 (здесь ФГ – функциональный генератор, АБ – анализатор Боде). Наличие конденсатора C1 позволяет минимизировать выходное напряжение покоя усилителя и осуществить развязку по постоянному току между входом РУ и выходом ФГ.  Рис. 4.1. Схема инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе На рис. 4.2 представлены асимптотические ЛАЧХ разомкнутого операционного усилителя DA1 (график 1) и всего усилителя переменного тока (график 2), где  – частота среза ОУ;  и  – соответственно, нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания усилителя переменного тока, на которых модуль коэффициента усиления снижается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением;  – полоса пропускания усилителя. Чем усилитель переменного тока отличается от усилителя постоянного тока? Усилитель постоянного тока, например ОУ, имеет ненулевой коэффициент усиления на нулевой частоте, т. е. может усиливать сигналы как постоянного, так и переменного тока (характеристика 1). Усилитель переменного тока имеет нулевой коэффициент усиления на нулевой частоте и предназначен только для усиления сигналов переменного тока (характеристика 2). Рис. 4.2. Асимптотические ЛАЧХ: 1 – разомкнутого операционного усилителя DA1; 2 – всего усилителя переменного тока Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока (см. рис. 4.1) в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ:  ;  . (4.1)Это обусловлено тем, что сопротивлением разделительного конденсатора в полосе пропускания в первом приближении можно пренебречь. Из соотношений (4.1) при заданных схемных функциях усилителя (см. ТЗ) определяются сопротивления резисторов схемы. При этом следует отметить, что в усилителях переменного тока на инвертирующих РУ не удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление . Поэтому, если по результатам расчета схемы на рис.4.1 хотя бы одно из ее сопротивлений превышает значение 10 МОм (такие сопротивления трудно реализовать), то считаем, что такая схема не подходит и дальше исследовать ее не нужно. Схема усилителя переменного тока на базе неинвертирующего РУ представлена на рис. 4.3; конденсатор С2 используется для минимизации выходного напряжения покоя усилителя. Частотная характеристика усилителя аналогична характеристике 2, представленной на рис. 4.2. Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока в полосе пропускания определяются схемными функциями неинвертирующего РУ (сопротивлением конденсаторов С1 и С2 в полосе пропускания в первом приближении можно пренебречь):  ;  . (4.2)Из соотношений (4.2) очевидно, что соответствующим выбором сопротивления  можно обеспечить высокое входное сопротивление усилителя, а выбором большого значения отношения  – высокий коэффициент усиления РУ. Частотная характеристика усилителя переменного тока (рис. 4.3) в области нижних частот целиком формируется конденсаторами C1 и С2, в области верхних частот она зависит от частотных свойств скорректированного ОУ, при этом граничные частоты и определяются соотношениями ;  . (4.3)Из соотношений (4.3) следует, что при выборе более широкополосного ОУ с высокой частотой можно получить более высокую верхнюю граничную частоту и тем самым расширить полосу пропускания усилителя переменного тока. Однако, как следует из рис. 4.2 и соотношения (4.3), чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота . Рис. 4.3. Схема усилителя переменного тока на базе неинвертирующего РУ Таким образом, при использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…2000) и большое (1…10 МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты .При ручном расчете схемы (рис. 4.3) желательно, чтобы все сопротивления были не более 10 МОм, а емкости – не более 3мкФ. Например, задаемся емкостями = = 1 мкФ. Тогда при заданных схемных функциях усилителя (см. ТЗ) из соотношения (4.3) определяется сопротивление , а из соотношений (4.2) – сопротивления и  .Окончательное решение о приемлемости схемы (рис. 4.3) принимается после ее исследования с использованием систем Multisim и NI ELVIS (определение верхней граничной частоты ).От недостатка усилителя (рис. 4.3) свободна схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ (DA1; R1; R2; R3; С1), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; выходная подсхема представляет собой инвертирующий РУ (DA2; R4; R5; С2) и используется для получения высокого коэффициента усиления  всего усилителя. В полосе пропускания . (4.4)Частотные характеристики неинвертирующего и инвертирующего РУ усилителя (рис. 3.1) аналогичны характеристике 2, представленной на рис. 4.2. Из графиков, приведенных на рис. 4.2, следует, что для получения наибольшей верхней граничной частоты всего усилителя переменного тока (рис. 3.1) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми. Нижняя граничная частота полосы пропускания усилителя переменного тока (рис. 3.1) определяется соотношением: (4.5)При ручном расчете схемы (рис. 3.1) также желательно, чтобы все сопротивления были не более 10 МОм, а емкости – не более 3мкФ. Например, задаемся емкостями = = 1 мкФ. Тогда при заданных схемных функциях усилителя (см. ТЗ) из соотношения (4.5) определяется сопротивление . Далее из соотношений (4.4) сначала определяются равные друг другу коэффициенты неинвертирующего и инвертирующего РУ, а потом, задаваясь сопротивлением: = 1 кОм, определяем сопротивления всех остальных резисторов схемы с учетом соотношения (4.2). Окончательное решение о приемлемости схемы (рис. 3.1) также принимается после ее исследования с использованием систем Multisim и NI ELVIS (определение верхней граничной частоты ).Моделирование электронного устройства в системе Multisim На втором этапе проектирования проводится моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim [1].; при этом основное внимание уделяется исследованию частотных характеристик усилителя. Сравниваются между собой усилитель переменного тока с одной усилительной подсхемой (рис. 4.3) и усилитель с двумя усилительными подсхемами (рис. 3.1). Параметры компонентов этих усилителей были определены в результате ручного расчета на первом этапе проектирования. Для этих усилителей с использованием системы Multisim определяются их частотные характеристики и по ним с помощью курсора находятся значения параметров , и всего усилителя переменного тока. Эти значения проверяются на соответствие их требованиям ТЗ. Основная задача второго этапа проектирования – выяснить, какой из усилителей переменного тока, приведенных на рис. 4.3 и рис. 3.1, удовлетворяет требованиям ТЗ по верхней граничной частоте . Решить эту задачу ручными методами анализа не представляется возможным.На рис. 4.4 в соответствии с одним из вариантом ТЗ представлена схема усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой (рис. 4.3), подготовленная для исследования в системе Multisim. Частотные характеристики этой схемы приведены на рис. 4.5 (определяется коэффициент усиления усилителя в полосе пропускания ) и рис. 4.6 (определяется верхняя граничная частота ). Очевидно, что данный усилитель имеет сравнительно низкую частоту и небольшую полосу пропускания всего усилителя. Рис. 4.4. Модель усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой  Рис. 4.5. ЛАЧХ модели усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой, где определяется коэффициент усиления усилителя в полосе пропускания  Рис. 4.6. ЛАЧХ модели усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой, где определяется верхняя граничная частота На рис. 4.7 в соответствии с этим же вариантом ТЗ представлена схема усилителя переменного тока с двумя усилительными подсхемами (рис. 3.1), подготовленная для исследования в системе Multisim. Частотные характеристики этой схемы приведены на рис. 4.8 (определяется верхняя граничная частота ). Очевидно, что данный усилитель имеет сравнительно высокую частоту и большую полосу пропускания всего усилителя. Рис. 4.7. Модель усилителя переменного тока с двумя усилительными подсхемами  Рис. 4.8. ЛАЧХ модели усилителя переменного тока с двумя усилительными подсхемами, где определяется верхняя граничная частота |
, В, не менее