ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования  
"Воронежский государственный технический университет"

Радиотехнический  факультет

Кафедра радиотехники

Специальность 210302 "Радиотехника" 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

           по дисциплине " Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств " 

                                 Проектирование радиоэлектронных средств с помощью

                                                       электронно-вычислительных машин  
 
 
 
 

Выполнил  студент гр. РТ-061                                                Д.В. Сериков___

                          Подпись, дата           Инициалы, фамилия 

Руководитель               ________________В.Я. Кнох______

                          Подпись, дата           Инициалы, фамилия 

Консультанты        _______________________________

                          Подпись, дата           Инициалы, фамилия

             _______________________________

                          Подпись, дата          Инициалы, фамилия 

Нормоконтроль провел        ________________В.Я. Кнох______

                          Подпись, дата          Инициалы, фамилия 
 
 
 
 

Воронеж 2010

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

                                                Кафедра радиотехники

                                                            ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств»

          Тема работы: Проектирование радиоэлектронных средств с помощью электронно-вычислительных машин.

   Студент группы  РТ-061 ФИО   Сериков Дмитрий Васильевич

   Общая формулировка задания. Моделирование и анализ двухполупериодного выпрямителя.

   Индивидуальный вариант задания            рисунок 24

   Виды  анализа: анализ по переменному току; временной анализ; анализ шумов; спектральный анализ.

      

        

   Объём работы и вопросы, подлежащие проработке:  

   1) Осмысливание задачи. Освоение работы с библиотекой OrCad.

   2) Внесение в библиотеку элементов описание отечественных комплектующих.

   3) Сборка  схемы в OrCad.

   4) Моделирование работы схемы.

   5) Разработка печатной платы.

   6) Оформление конструкторской документации.

   7) Оформление пояснительной записки. 

   План  выполнения курсового  проекта:                                                                                               

 
 
 

       Срок защиты курсовой работы – ___________________________________________

   Руководитель  __________________________________________________В.Я. Кнох.

   Задание принял студент ________________ ________________  ________________

                                                                             дата                                     подпись                                  И.О.Ф.

                                                         

Замечания руководителя

Оглавление

 

Замечания руководителя 3

Введение 5

1 Осмысление задачи 6

2 Сборка  схемы в OrCad 7

3 Моделирование работы двухполупериодного выпрямителя 11

4 Разработка печатной платы 16

Заключение 18

Список литературы 19 

 

Введение

 

     В настоящее время во многих электронной аппаратуры проектирование производится с помощью современных систем автоматического производства. Наибольшее распространение получили пакеты программ P-CAD и Orcad на платформе DOS. Orcad выпускает программы моделирования и оптимизации аналоговых и смешанно-аналоговых устройств.

     Orcad в своем составе имеет ряд программных модулей: Orcad Capture – графический редактор схем; PSpise Schematics – графический редактор схем, заимствованный из пакета DesignLab; Orcad Pspise A/D – программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpise Schematics, так и из Orcad Capture; Orcad Layout – графический редактор печатных плат и другие.

       Целью данной курсовой работы является сборка и моделирование двухполупериодного выпрямителя. Снятие временных диаграмм выпрямителя, а так же выполнение частотного и шумового анализа выпрямителя. Завершается проектирование отладкой, устранением ошибок, разработкой печатной платы с помощью Orcad Layout с привлечением по возможности отдельного пакета программы Specctra.  
 
 
 

           
 
 
 
 

      1 Осмысление задачи

 

     В качестве моделирования и исследования выбрана схема двухполупериодного выпрямителя. Схема показана на рисунке 1. В его состав входят:

1. Операционный усилитель,
2. Полупроводниковый диод,
3. Три резистора по 10 кОм,
4. Двуполярное питание для операционного усилителя (на рисунке не показан)

     

     Рисунок 1 – Исследуемый усилитель

     Выпрямители используются для преобразования переменного  напряжения в постоянное. Простые  диодные выпрямители обладают неудовлетворительными  характеристиками при выпрямлении напряжений, меньших 0,7 В, так как при этом диод в прямом направлении обладает достаточно большим сопротивлением. Для исключения этого недостатка в диодном выпрямителе используются ОУ.

     Положительная полуволна входного сигнала в  этой схеме непосредственно передается на выход выпрямителя через цепь обратной связи. Когда входное напряжение больше нуля, на выходе инвертирующего усилителя действует отрицательное напряжение. Поэтому диод D1 заперт и ОУ фактически не участвует в передаче входного сигнала. При отрицательной полуволне на входе схема функционирует как обычный инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи R2/R1. В практических схемах симметрирование выходного сигнала выпрямителя достигается с помощью резистора R3.

2 Сборка схемы в OrCad

 
 

     Запускаем Orcad Capture. Открываем вкладку New –project –указывается имя файла (тип файла – analog or mixed A/D). Далее появляется окно (рисунок 2), в котором выбираем create a blank project – создание одного листа. В нашей схеме более не требуется.

     

 

     Рисунок 2 – Тип создаваемого файла 

     В появившемся окне Менеджера проектов расположенного в левой части экрана программы. В режиме File развертывается плоская файловая структура проекта, в режиме Hierarchy – его иерархическая структура. Файловая структура проекта содержит разделы: Design Resource – описание проекта; Outputs – результаты проектирования; PSpise Resource – информация для моделирования с помощью PSpise.

     В результате выбора в менеджере проектов Page1 открывается окно редактора схем, в поле которого происходит сборка схемы. В правой части расположена панель инструментов редактора схем. 

         

       

     Рисунок 3 – Панель инструментов редактора схем 

     Теперь  разъясним назначение каждой из кнопок. 

       Select – режим работы объектов;

       Part – выбор в библиотеке компонента для размещения его символа на схеме;

        Wire – рисование электрических цепей;

       Net Alies – размещение псевдонимов;

       Bus – изображение шины;

          Juction – нанесение точки электрического соединения двух цепей;

       Bus Entry – нанесение отводов от шины, расположенных под углом 45;

       Power – размещение символов выводов источников питания и «земли»;

       Ground – размещение символов выводов источников питания и «земли»;

       Hierarchical Block – размещение иерархических блоков;

       Hierarchical Port – размещение портов иерархических блоков;

       Hierarchical Pin – размещение выводов иерархических блоков;

       Off-Page Connector – размещение символов соединения страниц;

       No Connector – подключение к выводу компонента символов отсутствия соединения;

       Line – рисование линии;

       Polyline – рисование полилинии;

       Rectangle – рисование прямоугольника;

       Ellipse – рисование эллипса / окружности;

        Arc – рисование дуги;

         Text – размещение одной или нескольких строк текста с указанием его размера, цвета, ориентации шрифта;

         New Simulation Profile – создание файла задания на моделирование;

       Edit Simulation Setting – редактирование задания а моделирование;

       Run PSpise – запуск программы PSpice на моделирование;

       View Simulation Results – просмотр графических результатов моделирования;

       Voltage/ Level Marker – простановка маркера напряжения ;

       Voltage Differential Marker – простановка двух маркеров разности напряжения;

        Current Marker – простановка маркера тока;

       Power Dissipation Marker – простановка маркера рассеиваемой мощности;

       Enable Bias Voltage Display – отображение на схеме узловых напряжений в рабочей точке;

       Toggle Voltage On Selected Net – показать/ удалить значение потенциала по постоянному  току выбранной цепи;

       Enable Bias Current Display – отображение на схеме токов ветвей в рабочей точке;

       Toggle Current On Selected Part/Pin – показать/ удалить значение постоянного тока выбранного вывода компонента;

       Enable Bias Power Display – отображение на схеме рассеиваемой мощности ветви в рабочей точке;

       Toggle Power On Selected Part – показать/ удалить значение рассеиваемой мощности по постоянному  току выбранного компонента. 

     Проведем  сборку схемы. Вызовом  Part производится определение и добавление требуемых элементов схемы. Элементы схемы должны принадлежать PSpise библиотеке. В результате схема исследуемого усилителя в Orcad представлена на рисунке 4. 
 
 
 

       
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 4 – Схема двухполупериодного выпрямителя

     Для данной схемы в качестве операционного  усилителя использовался ОУ фирмы Analog Devices AD648A, в качестве диода – диод 1N4500. Питание ОУ – двухполярное, собрано из двух источников по 10 В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Моделирование работы двухполупериодного выпрямителя

 

     После сборки схемы выполняется её моделирование  с помощью Orcad PSpise A/D – программы моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств. Формируем новое задание на моделирование ( New Simulation Profile).

     Необходимо провести моделирование следующих характеристик: временной анализ (Time Domain); анализ шумов; анализ Фурье (FFT).

     Начинаем  моделирование с временного анализа. Во вкладке Time Domain задаем параметры моделирования от 0 до 90мс, так как источник сигнала работает с частотой 60 Гц. В результате получена следующая временная зависимость, представленная на рисунке 5. Одновременно проводим анализ Фурье, нажатием кнопки FFT. Данная зависимость представлена на рисунке 6. 

Рисунок 5 – Временная зависимость выходного сигнала

      Как можно заметить, двухполуперидный выпрямитель выполняет свою функцию: на выходе выпрямителя мы имеем выпрямленное значение входного напряжения, то есть положительные входные полуволны проходят без изменения, а отрицательные входные полуволны инвертируются, но с одинаковой амплитудой.

                  

Рисунок 6 – Фурье анализ усилителя мощности.

      На  рисунке 6 видно, что частота выходного  напряжения увеличилась в 2 раза, и  еще добавилась постоянная составляющая порядка 70 мВ. Амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения составляет 40 мВ. Так же можно заметить, что появились гармоники высших порядков. Объяснить это можно тем, что на выходе выпрямителя сигнал не чистой синусоидальной формы, а возросшую частоту до 120 Гц тем, что сигнал на выходе стал повторяться в 2 раза чаще. 

     Проведем  частотный анализ. Полученный график АЧХ приведен на рисунке 7.

     Рисунок 7 – АЧХ двухполупериодного выпрямителя.

     По  полученной форме АЧХ можно сказать  следующее: до частот, примерно, 1 МГц, на выходе выпрямленный сигнал не будет  иметь каких-либо изменений формы  вследствие равномерности АЧХ на этом участке. С частот от 1 МГц до 100 МГц, резко падает форма АЧХ, что  обусловлено частотными свойствами применяемых операционного усилителя  и диода. На этом участке форма  выпрямленного напряжения может значительно исказиться. При частотах более 100 МГц применение данного выпрямителя нецелесообразно. 

     Произведем  параметрический анализ двухполуперодного  выпрямителя. Параметрический анализ заключается в том, чтобы изменением значения параметра какого-либо элемента на схеме получить графики зависимостей от параметра изменяемого элемента. Так как в техническом задании не сказано, какой элемент менять, то выберем его самостоятельно. Для параметрического анализа возьмем элемент R2. Будем изменять его значение в пределах от 5 кОм до 15 кОм, с шагом 2 кОм, и посмотрим, как изменение сопротивления этого элемента скажется на временных и частотных диаграммах.

Рисунок 8 – Временная диаграмма (при различных значениях R2) 

     Как видно, при изменении сопротивления  R2, полуволна выпрямленного напряжения (при отрицательном входном напряжении) изменяет свою амплитуду, а при положительном входном – на выходе повторяет ее форму. Это можно объяснить тем, что в момент положительной полуволны на входе работает диод, а операционный усилитель заперт, и не участвует в работе схемы. При отрицательной входной полуволне диод запирается, и включается в работу ОУ. Путем изменения сопротивления R2, стоящего в цепочке обратной связи, мы изменяем соотношение R1/R2, которое отвечает за усиление. Поэтому амплитуда выходного напряжения на отрицательной полуволне входного изменяет свое сопротивление. 

      Изменение АЧХ усилителя, при изменении  заданного сопротивления, показано на рисунке 9.

Рисунок 9 – АЧХ двухполупериодного выпрямителя.

      По  рисунку 9 можно сказать следующее: при сопротивлении резистора R2 = 5 кОм, АЧХ имеет большую полосу частот, при 15 кОм – меньшую. Разница  между линиями АЧХ незначительная. Полоса изменяется в пределах 1-2 МГц. 

     Необходимо  оценить теперь относительный уровень  шума двухполупериодного выпрямителя. Проводить шумовой анализ следует, как и анализ АЧХ, но с добавлением параметра шума (Noise). Данная характеристика представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Анализ уровня шума усилителя мощности 

     Оценивая  уровень собственного шума, видим, что  он равен порядка 18 нВ, на частотах до 1 МГц, и так же, как и АЧХ начинает падать с ростом частоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 Разработка печатной платы

 

     В данном  пункте работы проводится разработка печатной платы. После создания сборки схемы в Capture, исправлении ошибок, создается список соединений для разводки платы. Нажав в менеджере проектов на Page1, появляется в окне команд вкладка Tools, в которой выбираем «Create NetList…», далее вкладка Layout в которой ставим галочку на «Run ECO to Layout», «ОК».

     Теперь  запускаем Layout, создаем новый файл, выбрав форму из папки С:\Program Files\Orcad\Layout\Data любую. Далее открываем свой  файл с расширением *.mnl, после создается файл с расширением *.max, в котором будет хранится информация о соединениях и об ошибках. В случае ошибок необходимо исправить и повторить все заново.

     В результате получена печатная плата представленная на рисунке 11. Плата разведена в одном слое. Такие платы проще и дешевле в изготовлении, чем многослойные, но имеют сложную конфигурацию дорожек. В данном случае плата не представляется сложной для изготовления.

     

     Рисунок 11 – Печатная плата усилителя мощности

     Плата с двумя слоями металлизации показана на рисунке 12.

     

     Рисунок 12 – Печатная плата усилителя  мощности с двумя слоями металлизации

           Платы с двумя  слоями металлизации сложнее в изготовлении, но позволяют получить более короткие длины проводников, что благоприятно сказывается на работе высокочастотных схем. 
 
 
 

Заключение

     В ходе выполнения курсового  проектирования произведена сборка принципиальной схемы в программе пакета Orcad Capture , моделирование в PSpise A/D и разводка на печатной плате в Layout.

     Проанализирована работа двухполупериодного выпрямителя. Исследована временная характеристика, Фурье анализ, уровень собственного шума. Получен опыт работы в среде Orcad и его приложениях .

Список  литературы

 

     1 Методические указания к курсовому проектированию «Проектирование радиоэлектронных средств с помощью ЭВМ» для студентов 4 курса специальности 210302 «Радиотехника» очной формы обучения / Воронежский государственный технический университет; Сост. Ю.Э.Корчагин, С.А.Слинчук, А.И.Кочетков, В.Я.Кнох. Воронеж, 2006, 32с. 

     2 Разевиг. В.Д. Система проектирования OrCad 9.2. – М.: Солон-Р, 2001. 

     3 СТП ВГТУ 005-2007. Курсовое проектирование. Организация, порядок, оформление  расчетно-пояснительной записки  и графической части.