Курсовая. Разработка структурной схемы устройства
 Скачать 4.53 Mb.
|
        ВведениеВ данной работе будет рассмотрена в качестве датчика двухвыводная микросхема AD22100, которая осуществляет аналоговый выход. Его преимуществом является встроенный модуль обработки сигнала, а также низкая погрешность в измерениях. Данный датчик имеет довольно примитивный функционал, позволяющий без лишних затрат моделировать различные схемы. Разработка структурной схемы устройстваПостановка задачиУстройство предназначено для контроля температуры окружающей среды и использует в качестве датчика двухвыводную микросхему с выходом в виде напряжения AD22100. Напряжение на выходе при температуре 0ºС равно 1,375В. Требуемый диапазон измерения простирается от -10ºС до 110 ºС. Устройство преобразует сигнал с датчика в выходное напряжение, меняющееся в диапазоне (0…+4) В. Для устройства задаются верхний порог 85ºС и нижний порог 5ºС. При превышении верхнего порога в 85ºС: первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, первое реле должно включиться на 8 секунд с момента превышения порога, динамик должен гудеть с частотой ¬ 256Гц три раза с периодом 4 сек. При превышении нижнего порога в 5ºС: второй светодиод должен мигать с периодом 4 сек во время преодоления порога три раза, второе реле должно включиться, а выключится во время преодоления другого порога, динамик должен гудеть с частотой 512Гц в течение пяти секунд. В устройстве используются реле типа TRC-D-3 и цифровые элементы серии 555. Описание структурной схемы устройстваРазработанная структурная схема устройства представлена в Приложении А. Устройство содержит: датчик, усилитель, первый и второй компараторы, первое и второе реле, первый и второй светодиод, блоки управления первым и вторым светодиодами, первым и вторым реле, динамиком. Согласно схеме, при превышении верхнего или нижнего порога срабатывает соответствующий компаратор, далее блоки управления, согласно заданию, включают светодиод, динамик и реле. Разработка функциональной схемы устройстваРазработанная функциональная схема устройства представлена в Приложении Б. Описание работы устройства по временным диаграммамВременная диаграмма работы устройства представлена на рисунке 1.  Рисунок 1 - Временная диаграмма работы устройства датчика AD22100 Из диаграммы видно: при преодолении верхнего порога срабатывает первый компаратор, первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, первое реле включается на 8 секунд с момента преодоления порога, динамик гудит 3 раза с частотой 256Гц и периодом 4 секунды. При преодолении нижнего порога срабатывает второй компаратор, второй светодиод начинает мигать с периодом 4 секунды во время преодоления порога три раза, второе реле включается на время преодоления порога и выключается при достижении другого порога, динамик гудит с частотой 512Гц в течение пяти секунд. Разработка функциональных схем блоков управленияБлоки управления светодиодамиСхема управления первым светодиодом представлена на рисунке 2.  Рисунок 2 - Схема управления первым светодиодом Согласно заданию, первый светодиод непрерывно мигает с периодом 1 секунд на время преодоления нижнего порога. Для этого последовательно соединяется генератор импульсов, который задаёт период формирования импульсов, и операционный усилитель, который усиливает сигнал генератора и управляет светодиодом HD1. Схема управления вторым светодиодом представлена на рисунке 3.  Рисунок 3 - Схема управления вторым светодиодом Согласно заданию, второй светодиод непрерывно мигает с периодом 4 сек во время преодоления нижнего порога три раза. При превышении порога, сигнал с компаратора подаётся на RS-триггер, далее для формирования периода 4 секунды, последовательно подключен генератор, из которого сигнал идет в счетчик. Счетчик, в свою очередь, считает количество итераций данного цикла. После получения на выходе числа 3, счетчик сбрасывает RS-триггер. Далее сигнал подается на вход операционного усилителя, который усиливает сигнал и управляет вторым светодиодом HD2. Блоки управления релеСхема управления первым реле представлена на рисунке 4.  Рисунок 4 - Схема управления первым реле Согласно заданию, первое реле включается на 8 секунд с момента преодоления порога. Для этого последовательно соединяется одновибратор, который задаёт время формирования импульсов, и операционный усилитель, усиливающий сигнал генератора и управляющий реле K1. Схема управления вторым реле представлена на рисунке 5.  Рисунок 5 - Схема управления вторым реле Согласно заданию, второе реле включается на время преодоления порога и выключается при достижении другого порога. Поэтому сигнал со второго компаратора подаётся на операционный вход S, RS триггера далее сигнал подается на вход операционный усилитель, который усиливает сигнал и управляет вторым реле K2, которое работает, пока сигнал с первого компаратора не придет на вход R и не сбросит триггер. Блоки управления динамикомСхема управления динамиком представлена на рисунке 6.  Рисунок 6 - Схема управления динамиком В случае преодоления верхнего порога, динамик гудит с частотой 256Гц три раза с периодом 4 секунды. В случае преодоления нижнего порога, динамик гудит с частотой 512Гц 5 секунд. При превышении верхнего порога, сигнал с компаратора подаётся на RS-триггер, далее для формирования периода 4 секунды, последовательно подключен генератор, из которого сигнал идет в счетчик. Счетчик, в свою очередь, считает количество итераций данного цикла. Сигнал идет на генератор, формирующий частоту – 256Гц. После получения на выходе числа 3, счетчик сбрасывает RS-триггер. При превышении нижнего порога, сигнал со второго компаратора подаётся на одновибратор, а затем на генератор импульсов, который задает частоту 512Гц, и гудит он 5 секунд. Полученные сигналы подаются на вход дизъюнктора, на его выходе будет сформировано необходимое количество импульсов. Сигнал с дизъюнктора подаётся на усилитель, который управляет динамиком BA1. 2.3 Описание работы устройства по функциональной схеме Учитывая, предложенные решения, была разработана функциональная схема, представленная в приложении Б. Разработанное устройство содержит: 1 - датчик AD22100; 2,10,11,12,16,22,24 - операционные усилители; 3,4 - компараторы; 5,8 - одновибраторы; 7,9 – RS-триггер; 17,18 - счетчик; 6,13,14,15,21 - генераторы импульсов; 23 - дизъюнктор; 19,20 - конъюнкторы. Устройство работает следующим образом: Если компаратор 3 формирует уровень логической единицы при превышении верхнего порога, то светодиод HD1 должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, полученным с генератора 6; реле K1 включается на 8 секунд с момента превышения порога, получив на вход импульс с одновибратора 5. Чтобы включился динамик BA1, импульс подается на RS-триггер 7 и генератор импульсов 13 формируют период 4с и счетчик 17 отсчитывает 3 раза, далее импульс идет на генератор импульсов 21, формирующего частоту 256Гц и, наконец, на динамик BA1. Если компаратор 4 формирует уровень логической единицы при превышении нижнего порога, то светодиод HD2 начинает мигать с периодом 4с во время преодоления порога три раза: на RS-триггер 9 и генератор импульсов 15 формируют период 4с и счетчик 18 отсчитывает 3 раза, реле K2 включается, когда на RS-триггер 10 подается сигнал с компаратора 4, и завершает свою работу, когда компаратор 3 подает сигнал сброса. Одновибратор 8 и генератор импульсов 14 в течение 5 секунд выставляет частоту динамика BA1 – 512Гц. Разработка принципиальной схемы устройстваРасчёт усилителяСтатика: U0C° = 1.375В. Uпит = 5В. Температурный коэффициент = 22.5 мВ/C°. U-10C° = 1.375В – (22.5 мВ/C° * 10 C°) = 1.15В. U110C° = 1.375В + (22.5 мВ/C° * 110 C°) = 3.85В. По заданию: 1.15B -> 0В, 3.85 -> 4В. Ку = (4 – 0) / (3.85 – 1.15) = 1.48 > 0. Инверсия: 1.15B -> 4В, 3.85 -> 0В. Ку = (0 – 4) / (3.85 – 1.15) = -1.48 < 0. Uсмещ = U3/Kу – U2 = (4/-1.48) – 1.15 = -3.85 => E2. R1 = R2 = 10 КОм. Kу = R3/R1 = R3/R2 = R3/10 Ком => R3 = -Kу * 10 Ком = 14.8 КОм. Динамика: Asin = (U1 – U2) / 2 = (3.85 – 1.15) / 2 = 2.7 / 2 = 1.35. Asin действ = 1.35 * 0.707 = 0.9544 В. Расчёт схем формирования пороговСогласно заданию, при преодолении верхнего и нижнего порогов, устройство должно выполнять определённые функции, поэтому целесообразно использование компараторов на выходе усилителя. Рационально будет выбрать аналоговый компаратор LM319. Его характеристики: Uпит = ±(1...18)В. ku = 50В/мВ. Iвх = 25нА. Iн = 6мА. Напряжение, питающее усилитель - 5В. Зададим ток через делитель, равный I=0,002А. Расчёт схемы формирования верхнего порога Верхний порог = 85ºС. Напряжение, которое будет формироваться на выходе усилителя: U85C° = 1.375В + (22.5 мВ/C° * 85 C°) = 3,287В. R1+R2=E/I=5/0,002=2500Ом. Uпор=I*R2=>R2=Uпор/I=3,287/0,002=1643Ом. R1=2500-1643=857 Ом. Расчёт схемы формирования нижнего порога Нижний порог = 5ºС. Напряжение, которое будет формироваться на выходе усилителя: U-10C° = 1.375В – (22.5 мВ/C° * 10 C°) = 1.487В. R1+R2=E/I=5/0,002=2500 Ом. Uпор=I*R2=>R2=Uпор/I=1,487/0,002=743 Ом. R1=2500-743=1757 Ом. Расчёт генераторов импульсовВ качестве генератора импульсов используется микросхема К531ГГ1. Если температура окажется выше верхнего порога, то первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, динамик должен гудеть с частотой 256Гц три раза с периодом 4 сек. Если температура окажется ниже нижнего порога, то второй светодиод должен мигать с периодом 4 сек во время преодоления порога три раза, динамик должен гудеть с частотой 512Гц в течение пяти секунд. Период и частота задаются с генераторов сигналов. Генераторы управляются дифференцируемой RC - цепью. Для Т=1с: C = 1*10-6 Ф±1%. T = 1,4RC => R = T/1,4C = 1/1,4*1*10-6= 0,7142*106Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1 Ом±5%. Для f=256Гц: C = 1*10-6 Ф±1%. f = 0,7/RC => R = 0,7/Cf = 0,7/256*1*10-6 = 0,0027*106Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%. Для Т=4с: C = 1*10-6 Ф±1%. T = 1,4RC => R = T/1,4C = 4/1,4*1*10-6= 2,8571*106Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%. Для f=512Гц: C = 1*10-6 Ф±1%. f = 0,7/RC => R = 0,7/Cf = 0,7/512*1*10-6 = 0,0014*106Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%. Для f=512Гц: C = 1*10-6 Ф±1%. f = 0,7/RC => R = 0,7/Cf = 0,7/512*1*10-6 = 0,0014*106Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%. Расчёт одновибраторовВ качестве одновибратора используется микросхема К561АГ1. Если температура окажется выше верхнего порога, то первое реле должно включиться на 8 секунд с момента превышения порога. Если температура окажется ниже нижнего порога, то динамик должен гудеть с частотой 512Гц в течение пяти секунд. Уровень импульса задаётся с одновибратора. Одновибратор управляется дифференцирующей RC - цепью. Для реле, включающегося на 8с: C = 1*10-6 Ф±1%. T = 1,1RC => R = T/1,1C = 8/1,1*1*10-6= 7,2727*106Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%. Для динамика, включающегося на 5с: C = 1*10-6 Ф±1%. T = 1,1RC => R = T/1,1C = 5/1,1*1*10-6 = 4,5454*10-6Ом. Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%. Расчёт схем управления светодиодамиУровень логической единицы на выходе микросхем серии 555 - 3,3333В, падение напряжения на светодиоде 2В, значит на резисторе будет падать 1,333В. Падение на переходе коллектор - эмиттер на биполярном транзисторе - до 0,1В, база - эмиттер - 0,6В. В схеме был использован биполярный транзистор типа КТ315Е с коэффициентом усиления по току b=350 и током коллектора IDV=0,1А. Светодиод управляется ключом на биполярном транзисторе. Падение напряжения на резисторе: ∆URк = 1,333В. Сопротивление резистора, ограничивающего Iк: Rк=∆URк /Iд = 1,333/0,1 = 13,333Ом. Ближайший стандартный номинал резистора-13Ом±5%. Ток, протекающий через светодиод: Iк=∆URк/Rк=1,333/1800=0,0007407А. Напряжение на резисторе: ∆URб = Uкомп-0,6 = 5-0,6В= 4,4В. Ток базы: Iб=Iк/b=0,0009306/350=0,000002116А. Сопротивление резистора цепи базы: Rб=∆URб/Iб = 4,4/0,000002116= 2,079Мом. Ближайший стандартный номинал резистора - 2МОм±5%. Расчёт схемы управления вторым светодиодомПадение напряжения на резисторе: ∆URк = 1,333В. Сопротивление резистора, ограничивающего Iк: Rк=∆URк /Iд = 1,333/0,1 = 13,333Ом. Ближайший стандартный номинал резистора 13Ом±5%. Ток, протекающий через светодиод: Iк=∆URк/Rк=1,333/1800=0,0007407А. Напряжение на резисторе: ∆URб = Uкомп-0,6 = 5-0,6В= 4,4В. Ток базы: Iб=Iк/b=0,0009306/350=0,000002116А. Сопротивление резистора цепи базы: Rб=∆URб/Iб = 4,4/0,000002116= 2,079МОм. Ближайший стандартный номинал резистора - 2МОм±5%. Расчёт схем управления релеВ устройстве должны использоваться реле типа TRC-D-3. Реле управляется транзисторным ключом на биполярных транзисторах. Уровень логической единицы на выходе микросхем серии 555 - 3,675В, падение напряжения на светодиоде 2В, значит на резисторе будет падать 1,675В. Падение на переходе коллектор - эмиттер на биполярном транзисторе - до 0,1В , база - эмиттер - 0,6В. В схеме был использован биполярный транзистор типа KT342Б с коэффициентом усиления по току b=286 и током коллектора IDV=0,1А. Расчёт схемы управления первым релеПадение напряжения на резисторе: ∆URк = 1,675В. Сопротивление резистора, ограничивающего Iк: Rк=∆URк /Iд = 1,675/0,1 = 16,75Ом. Ближайший стандартный номинал резистора 16Ом±5%. Ток, протекающий через светодиод: Iк=∆URк/Rк=1,675/1800=0,0009305А. Напряжение на резисторе: ∆URб = Uкомп-0,6 = 5-0,6В= 4,4В. Ток базы: Iб=Iк/b=0,0009305/286=0,00000325А. Сопротивление резистора цепи базы: Rб=∆URб/Iб = 4,4/0,00000325= 1,354МОм. Ближайший стандартный номинал резистора -1МОм±5%. Расчёт схемы управления вторым релеПадение напряжения на резисторе: ∆URк = 1,675В. Сопротивление резистора, ограничивающего Iк: Rк=∆URк /Iд = 1,675/0,1 = 16,75Ом. Ближайший стандартный номинал резистора 16Ом±5%. Ток, протекающий через светодиод: Iк=∆URк/Rк=1,675/1800=0,0009305А. Напряжение на резисторе: ∆URб = Uкомп-0,6 = 5-0,6В= 4,4В. Ток базы: Iб=Iк/b=0,0009305/286=0,00000325А. Сопротивление резистора цепи базы: Rб=∆URб/Iб = 4,4/0,00000325= 1,354МОм. Ближайший стандартный номинал резистора - 1МОм±5%. Расчёт схемы управления динамикомДинамик управляется транзисторным ключом на биполярных транзисторах. Уровень логической единицы на выходе микросхем серии 555 - 3,675В, падение напряжения на светодиоде 2В, значит на резисторе будет падать 1,675В. Падение на переходе коллектор - эмиттер на биполярном транзисторе - до 0,1В, база - эмиттер - 0,6В. В схеме был использован биполярный транзистор типа КТ324Б с коэффициентом усиления по току b=286 и током коллектора IDV=0,1А. Падение напряжения на резисторе: ∆URк = 1,675В. Сопротивление резистора, ограничивающего Iк: Rк=∆URк /Iд = 1,675/0,1 = 16,75Ом. Ближайший стандартный номинал резистора 16Ом±5% Ток, протекающий через светодиод: Iк=∆URк/Rк=1,675/1800=0,0009305А. Напряжение на резисторе: ∆URб = Uкомп-0,6 = 3-0,6В= 2,4В. Ток базы: Iб=Iк/b=0,0009305/286=0,00000325А. Сопротивление резистора цепи базы: Rб=∆URб/Iб = 2,4/0,00000325=0,739 МОм. Ближайший стандартный номинал резистора – 750КОм±1%. Описание работы устройства по принципиальной схемеРазработанная принципиальная схема и перечень используемых в ней элементов представлены в приложении В. Устройство работает следующим образом: выходной сигнал усилителя принимается на входы компараторов, сравнивающих его с заданными пороговыми уровнями. Если превышен верхний порог, то на выходе первого компаратора формируется нарастающий фронт и формируется уровень логической единицы. По нарастающему фронту сигнал приходит на одновибраторы, которые формируют импульсы для первого светодиода и реле, а также, на RS-триггер, далее в генератор и счетчик, перед прохождением в динамик и в RS-триггер реле K2, сбрасывающего его работу. Если превышен нижний порог, то на выходе второго компаратора формируется уровень логической единицы. Сигнал передается на генератор, формирующий заданную частоту и подающий импульс на динамик, а также на RS-триггер, управляющий вторым реле и генератор импульсов, управляющий вторым светодиодом. Результаты электронного моделированияМоделирование датчика производится в рабочем окне программы для моделирования цифровых и аналоговых электронных схем EWB. Представление верхнего и нижнего порога усилителя представлено на рисунках ниже. Рисунок 7 - Моделирование верхнего порога усилителя в статике  Рисунок 7 - Верхний порог в статике  Рисунок 8 - Нижний порог в статике   Рисунок 9 - Моделирование усилителя в динамике Далее, при моделировании, создаётся модель датчика.  Рисунок 10 – Модель датчика  Рисунок 11 – Моделирование первого компаратора  Рисунок 12 - Показания осциллографа  Рисунок 14 - Моделирование второго компаратора  Рисунок 15 - Показания осциллографа Заключение В ходе работы была рассчитана, спроектирована и протестирована модель датчика AD592. элементы были выбраны с учётом возможности работы при значениях, полученных в расчётах, в соответствии с заданием. Список используемых источниковЛ.А. Брякин. Электротехника и электроника. Конспект лекций. Пенза, ПГУ, 2004. Я. Ю. Волкова. Базовые элементы цифровой техники. Изд-во Екатеринбургского государственного университета, 2018. Сайт analog-devices. Приложение А. Схема электрическая структурная  Приложение Б. Схема электрическая функциональная   Приложение В. Схема электрическая принципиальнаяПриложение Г. Перечень используемых элементов    |