Проектирование электронных типовых устройств

 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

по дисциплине: Промышленная электроника

на тему: Проектирование электронных типовых устройств 
 
 

. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ЗАДАНИЕ ДЛЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ: 

1. Для  усилительного транзисторного каскада:

1.1. Выбрать  транзистор, определить напряжение источника питания Uп, рассчитать сопротивление резисторов и выбрать их номиналы.

1.2. Определить h-параметры, h11э, h21э в рабочей точке транзисторного каскада, его входное и выходное сопротивления Rвх и Rвых.

1.3. Найти  амплитуды напряжения и тока базы Uбт, 1бт, коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности K1, KV, KP и амплитуду напряжения источника сигнала UGm.

1.4. Рассчитать  емкости конденсаторов, выбрать их номинал.

2. Задана  схема на операционном усилителе,  необходимо:

2.1. Рассчитать сопротивления резисторов и емкости конденсаторов, выбрать их номиналы.

2.2. Выбрать  операционный усилитель (ОУ).

2.3. Определить  максимальные амплитуды источников  сигнала.

3. Для логической  функции необходимо:

3.1. Упростить  функцию, пользуясь алгеброй логики.

3.2. Составить  таблицу истинности.

3.3. Разработать  функциональную электрическую схему  на базовых элементах (И, ИЛИ, НЕ).

 

Содержание 

  1. Введение………………………………………………………………..3
  2. Расчет усилительного каскада…..…………………………………….5
  3. Расчет суммирующего усилителя постоянного тока………….…….16
  4. Упрощение логической функции и ее реализация на логических эле        ментах……………………………………………………………..….…21
  5. Заключение………………………………..............................................23
  6. Литература……………………………………..……………………….24

 

Введение

      Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле. Промышленная электроника (применение электроники в промышленности, на транспорте, в электроэнергетике) и радиоэлектроника (применение электроники в радиотехнике и телевидении) являются важнейшими составными частями электроники, рассматриваемой в широком смысле.

      В свою очередь, в промышленную электронику, обеспечивающую разнообразные виды техники электронными устройствами измерения, контроля, управления и защиты, а также электронными системами  преобразования электрической  энергии,  входят:

      1)    информационная электроника,   к  которой   относятся    электронные системы и устройства, связанные c измерением, контролем и управлением   промышленными объектами  и   технологическими   процессами;

      2)     энергетическая   электроника   (преобразовательная   техника), связанная с преобразованием вида электрического тока для  целей электропривода,  электрической  тяги,  электротермии, электротехнологии, электроэнергетики и т. д.

      Промышленная  электроника постоянно развивается. Это определяется в первую очередь непрерывным совершенствованием ее элементной базы. Элементная база промышленной электроники прошла несколько  этапов   развития.

      Начало  развития промышленной электроники  было положено созданием электровакуумных и газоразрядных приборов. Низкая надежность, сложность эксплуатации, большая потребляемая мощность, громоздкость реализации явились в последующем тормозящими факторами расширения областей применений электроники. Электровакуумные приборы в настоящее время находят ограниченное применение в промышленной электронике, а газоразрядные приборы используются преимущественно в виде элементов индикации.

      Дальнейшему развитию информационной электроники  способствовало создание в 1948 г. транзистора, а энергетической электроники — разработка и последующее совершенствование силовых полупроводниковых   приборов   (диодов,   тиристоров   и   транзисторов).

      Применение  транзисторов позволило на определенном этапе значительно повысить надежность, уменьшить потребление мощности, габариты, а также затраты на производство и эксплуатацию электронной аппаратуры. Однако общая тенденция улучшения указанных показателей в условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры, связанной с усложнением возлагаемых на нее задач, вызвала необходимость перехода от аппаратуры на дискретных компонентах к ее интегральному исполнению. Начиная с 70-х годов, все большая часть электронной аппаратуры стала производиться на интегральных микросхемах. Современный этап развития информационной электроники характеризуется широким использованием компонентов микроэлектроники,  включая большие интегральные схемы.

      Развитие  энергетической электроники стимулируется  всевозрастающим требованием повышения удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе и на переменном токе нестандартной частоты, а также непрерывным совершенствованием элементной базы (увеличением единичной мощности силовых полупроводниковых приборов, улучшением их динамических показателей, появлением приборов новых типов). Все это позволяет создавать более эффективные условия генерирования, передачи и распределения электроэнергии, повышать электровооруженность труда, а также использовать более производительную технологию в различных отраслях промышленности. 

 

  1. Расчет  усилительного каскада

          Дано:

          
 
 

 
 

Рис. 1 –  Принципиальная электрическая схема  усилительного каскада 
 
 
 
 

 

Рассчитаем сопротивление резистора в цепи  коллектора транзистора: 

  

     Выбираем  номинал сопротивления резистора Ом 

   Определим эквивалентное  сопротивление нагрузки  каскада: 

  

 

   Найдем амплитуду коллекторного тока: 

  

 

   Рассчитаем ток покоя транзистора:

 

k3 – коэффициент запаса,

k3 =0,7÷0,95

 

   Определим минимальное напряжение коллектор – эмиттер в рабочей точке транзистора:

  

т.к. меньше типового значения , принимаем  

   Рассчитываем напряжение источника питания: 

 

Выбираем  напряжение питания 

 

   Определяем сопротивление резистора:

 

Ом

принимаем номинал  резистора  Ом 

    Выбираем транзистор КТ315Б: 

 
 

Вычертим  выходные и входные  характеристики транзистора КТ315Б (рис. 2) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  На выходных характеристиках транзистора КТ315Б построим нагрузочную прямую постоянного тока по точка А и В. 

                  Точка А: , 

                  Точка В:  ,   

Нанесем рабочую  точку С на нагрузочную прямую с координатой  , уточним напряжение в точке покоя.

 

   Рассчитаем мощность в точке покоя транзистора: 

  

 

   Определим наибольшую мощность рассеивания транзистора при максимальной рабочей температуре: 

  

 

, следовательно, транзистор КТ315Б выбран правильно. 
 
 

Находим координаты рабочей  точки С на входной  характеристике транзистора:

,  

Определим ток базового делителя , : 

  

 

Рассчитаем сопротивление  резистора базового делителя: 

  

 

принимаем номинал сопротивления резистора 

 

Определяем сопротивление резистора базового делителя: 

  

 

принимаем номинал резистора 

 
 

Найдем  эквивалентное сопротивление  базового делителя: 

 

 
 

По выходным характеристикам транзистора (рис. 2) определим , в рабочей точке транзистора: 

 

 

По  входным характеристикам (рис.2) найдем в рабочей точке: 

 

Ом 
 

Найдем входное сопротивление каскада: 

  

 

Рассчитаем  выходное сопротивление  каскада: 

 

Построим  на выходных характеристиках  транзистора нагрузочную прямую по переменному току, проходящею через рабочую точку С и имеющую наклон: 

 

Находим амплитуду тока базы по выходным характеристикам: 

 

 

Определим по выходным характеристикам амплитуду входного напряжения транзистора: 

 

 

Определим коэффициент усиления каскада по току: 

 

Найдем  коэффициент усиления каскада по напряжению: 

  

 

Рассчитаем  коэффициент усиления по мощности: 

 

 

Определим амплитуду напряжения источника сигнала: 

  

 

Распределим частотные искажения  в области нижних частот, вносимые емкостями конденсаторов , , , равномерно между ними: 

 

 
 
 
 

Рассчитаем емкость  разделительного конденсатора: 

  

 

выбираем номинал электролитического конденсатора

 

Определим емкость  разделительного конденсатора: 

 

выбираем номинал емкости электролитического конденсатора

 

Найдем емкость  блокировочного конденсатора: 

  

 

принимаем емкость блокировочного конденсатора

 
 

 

2. Расчет суммирующего  усилителя постоянного тока 

Дано:

 
 

Рис. 1 –  Неинвертирующий усилитель постоянного тока 
 
 
 
 
 

     Определяем произведение сопротивления источника сигнала на коэффициент усиления: 

                                  

     Т.к. , то рассчитываем сопротивление входного резистора по формуле: 

     

     

     Принимаем сопротивление резистора   

     Находим сопротивление резистора  : 

     

     Принимаем сопротивление резистора   

     Рассчитываем  сопротивление резистора , из условия одинаковых сопротивлений постоянному току во входных цепях ОУ:

     

     Принимаем сопротивление резистора 

     Определяем  сопротивление цепи обратной связи:

     

     

     принимаем сопротивление резистора 

    Т.к. сопротивление источника сигнала  и коэффициент усиления , выберем ОУ К140УД14 по условию со следующими параметрами:

    -коэффициент  усиления по напряжению  ;

    -разность  входных токов ОУ ;

    -внутреннее  напряжение смещения  ;

    -тепловой  дрейф разности входных токов

    -тепловой  дрейф внутреннего напряжения  смещения 

    -максимальное  напряжение на выходе ОУ  ;

    -типовое напряжение питания

    Необходимо  проверить выбранный ОУ

    Операционный усилитель должен обеспечивать требуемый динамический диапазон выходных напряжений

    

, где

    D - динамический диапазон, ДБ;

    Uвых max – максимальное выходное напряжение, В

    Uвых min – минимальное выходное напряжение, В

    Минимальное выходное напряжение ОУ ограничено напряжением смещения нуля, вызванное разностью входных токов, внутренним смещение ОУ и их тепловыми дрейфами. 

    Сопротивление по постоянному току подключённое между  входом ОУ и нулевой точкой Rвхо:

    

 

    Рассчитаем допустимое напряжение смещения ОУ: 

    

    

 

    Найдем  напряжение смещение ОУ от разности входных  токов: 

    

    

 

    Определим напряжение смещения ОУ, вызванное внутренним смещением ОУ: 

    

    

 
 
 

    Суммарное напряжение смещения: 

    

    

,

что меньше , следовательно, ОУ К140УД14 обеспечивает заданный динамический диапазон выходного напряжения во всем интервале рабочих температур. ОУ К140УД14 выбран правильно. 
 

    Определим максимальную амплитуду  источника сигнала: 

    

 

        Найдем максимальную амплитуду источника сигнала: 

 
3. Упрощение логической  функции и ее  реализация на  логических элементах

     Основные  законы логических преобразований.

     а) Инверсия:

     если  , то

     если  , то

     б) Логическое сложение (дизъюнкция):

     

     в) Логическое умножение (конъюнкция):

     

     г) Переместительный закон:

     

     д) Сочетательный закон:

     

     е) Распределительный  закон:

     

     ж) Правило склеивания:

     

     з) Правило двойного отрицания:

     

     и) Теорема Де Моргана:

 

Задание:

  1. Упростить функцию, пользуясь алгеброй логики.
  2. Составить таблицу истинности.
  3. Разработать функциональную электрическую схему на базовых элементах (И, ИЛИ, НЕ).

Решение:

1. Упростим функцию:

2.Составим  таблицу истинности: 
 
 
 
 
 
 
 

        X Y Z F
        0 0 0 0
        0 0 1 1
        0 1 0 0
        0 1 1 1
        1 0 0 0
        1 0 1 1
        1 1 0 1
        1 1 1 1
 

3. Разработаем электрическую схему:

              
 

Рис.1- Функциональная электрическая схема, реализующая функцию

 
Заключение 

     Целью и задачей курсовой работы является изучение принципов построения действия проектирования электронных устройств, построенных на базе полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. А так же: устройство, принцип действия, параметры и характеристики полупроводниковых приборов и интегральных микросхем; принцип построения, принцип действия и методы проектирования электронных   устройств,    построенных на базе полупроводниковых приборов и интегральных    микросхем, микропроцессоров и устройств связи; параметры и характеристики электронных устройств; принцип расчета основных электронных схем и устройств; понимать электронные схемы, определять по условным обозначениям и справочникам параметры электронных элементов, уметь строить и рассчитывать устройства, выполненные на этих элементах; грамотно производить выбор стандартной электронной аппаратуры в зависимости от конкретных требований.

 

Литература 

  1. Забродин  Ю. С. Промышленная электроника: учебник для ВУЗов, М.: Высшая школа, 1982.
  2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учебное пособие для ВУЗов: 2-е издание переработанное и дополненное. М.: Высшая школа, 1991.
  3. Жеребцов И. П. Основы электроники 5-е издание, переработанное и дополненное. Л.: Энергоиздат, 1989.
  4. Савельев и др. Электронные вычислительные машины: Учебное пособие для ВУЗов: 2-е издание переработанное и дополненное. М.: Высшая школа, 1991.
  5. Балашов Е. П. и др. Микро- и мини- ЭВМ: Учебное пособие для ВУЗов. Л.: Энергоиздат. Ленингр., 1984.
  6. Ефимов И. Е., Козырь И. Я. Основы микроэлектроник: учебник для студентов, 2-е издание переработанное и дополненное. М.: Высшая школа, 1988.
  7. Волков В. Н., Криков А. М. Микро –ЭВМ в сельскохозяйственным производстве. М.: Агропромиздат, 1987.
Проектирование электронных типовых устройств