Разработка электронного устройства

Министерство  образования Республики Беларусь

УО «Белорусский государственный технологический  университет»

 

                                                  Кафедра АППиЭ

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ  ПРОЕКТУ:

по курсу: Электроника

тема: Разработка электронного устройства 

 

 

                                                    

 

 

 

 

Разработал: студент III курса

4 группы факультета ХТиТ

Авдейчик М.С.

Проверил:  Оробей И.О.  

 

 

 

 

 

Минск 2009

 

ЗАДАНИЕ

 

По заданным значениям диапазона источников ЭДС разработать нормирующие  усилители,  на выходе которых значения напряжения будут изменяться от 0 до 1.78 В, причем 0 В должно соответствовать максимальное напряжение ЭДС, 1.78 В – минимальное.  Нормирующие усилители выполнить на биполярных транзисторах. Усилительные каскады рассчитать по постоянному и переменному току. Напряжение питания усилителей на транзисторах  9 В. 

	e1	e2	e3	e4	e5
min	0.35	-0.55	-0.45	-0.35	-0.50
max	0.45	-0.25	0.15	0.15	0.1

 

Разработать усилители на ОУ, преобразующие уровней напряжений, получаемых на выходе нормирующих усилителей, по следующему закону. Входному напряжению 0 В должно соответствовать выходное напряжение       -2.76 В, входному напряжению 1.28 В – выходное напряжение -1.36 В.

Разработать компараторы на ОУ, преобразующие уровни напряжений на выходе усилителей на ОУ в ТТЛ или КМОП, причем значениям напряжения от -24 В до 0.72 должен соответствовать уровень логического 0 на выходе компаратора, а значениям от 0.72 до 24В - уровень логической 1.

Первый  канал поступает на компаратор.

На второй компаратор поступает сигнал сложения первого и второго канала ослабленный  в два раза.

На третий компаратор поступает сигнал вычитания  третьего из второго канала, ослабленный  в два раза.

На четвёртый  компаратор сигнал умножения четвёртого канала на третий ослабленный в дав раза.

На пятый  компаратор результат дифференцирования  с постоянной времени 0.01 с.

На шестой компаратор результат интегрирования с постоянной времени 0.001 с.

Считая  выходные сигналы компараторов входными сигналами цифровой логической схемы  составить карту Карно, провести минимизацию и разработать логическую схему, формирующую логические функции, заданные в таблице:

Выходная переменная Y	Входные переменные
	X1	X2	X3	X4	X5	X6
1	1	0	1	1	1	0
1	1	1	0	1	0	0
1	1	1	0	0	0	1
1	1	0	1	0	1	0
1	1	0	1	1	1	0
1	0	1	1	0	1	1

 

Разработать структурную и электрическую, принципиальную схему устройства, привести временные диаграммы на входах всех блоков устройства при произвольной форме напряжений источников ЭДС в заданном диапазоне их измерения. Разработать трансформаторный источник для питания устройства от сети 220 В.

На выходе цифровой логики установить цифровой счётчик, который по каждому 4 импульсу будет включать электронный ключ, рассчитанный на замыкание размыкание цепи с током Iн = 0.45 А, и напряжением Uн = 35 В.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение . . . . . . . . . 5

Выбор элементной базы . . . . . . . 6

Разработка  структурной (функциональной) схемы . . 7

Синтез  электрической принципиальной схемы . . . 8

Расчет  нормирующих усилителей . . . . . 11

Расчет  усилителя на ОУ . . . . . . . 13

Расчет  компаратора на ОУ . . . . . . 15

Расчет  логической функции . . . . . . 17

Расчет  блока питания . . . . . . . 20

Литература . . . . . . . . . 22

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Все электронные  устройства можно разделить на две  группы – аналоговые и цифровые. Преимущество аналоговых устройств  – сравнительная простота, надёжность и быстродействие – обеспечили широкое распространение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов.

Данная  курсовая работа завершает изучение курса Электроники. Можно выделить несколько задач изучения радиоэлектроники в вузе:

1. глубокое освоение студентами принципов работы и закономерностей функционирования полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, функциональных узлов и радиоэлектронной аппаратуры (усилители, компараторы, цифровые микросхемы и т.д.), которые изучаются на лабораторных и практических занятиях; привитие студентам твердых навыков при обращении с ними, проведении простейших ремонта и испытаний;
2. приобщение студентов к разработке и созданию функциональных узлов и устройств на современной элементной базе радиоэлектроники, предназначенных для постановки и совершенствования  демонстрационного эксперимента и для автоматизации измерений;
3. ознакомление студентов с современным состоянием и достижением радиоэлектроники как области науки и техники, с методами решения задач, создание перехода от элементарных представлений к основам современной теории, подготовка студентов к самостоятельному изучению научно-технической литературы по радиоэлектронике.

Курсовое  проектирование по электронике - один из основных видов изучения курса, первая самостоятельная работа студентов  по комплексному проектированию и исследованию взаимосвязанных функциональных узлов  радиоэлектронной аппаратуры, являющихся составными частями различных электронных  устройств.

 

ВЫБОР  ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Элементная база, примененная при  разработке данного устройства, не содержит каких-либо специализированных элементов, поскольку к работе данного  устройства не предъявляются особые требования, в том числе и температурные. Устройство выполнено на широко доступных компонентах, которые производятся отечественными предприятиями радиоэлектронной промышленности. Использование же импортных комплектующих, как и применение в качестве компараторов специально предназначенных для этого микросхем, ведет к удорожанию устройства, без какого-либо значительного улучшения его параметров. Все использованные при разработке данного устройства элементы, могут быть заменены любыми другими, подходящие по параметрам без ухудшения работы изделия. При этом возможна корректировка номиналов некоторых элементов.

 

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ (ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ) СХЕМЫ

 

После выбора принципа действия устройства, приступаем к синтезу его структурной  схемы. Один из возможных вариантов  может выглядеть следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

1. Выбор схемы нормирующего усилителя.

Поскольку необходимо усилить сигнал по напряжению, то в качестве схемы нормирующего усилителя выбираем схему с общим  эмиттером. Однако схеме с заземленным  эмиттером присущи следующие  недостатки:

А) даже при отсутствии переменного сигнала  через нагрузку протекает постоянный ток

Б) схема  является температурно-нестабильной, т.к. при увеличении температуры  транзистора на 10°, ток коллектора увеличивается  в 2 раза, что приводит к дальнейшему увеличению температуры  транзистора. В результате транзистор либо сгорает, либо переходит в режим  насыщения.

В) в данной схеме большие нелинейные искажения  сигнала.

В связи  с недостатками, присущими схеме  с заземленным эмиттером, на практике, применяется следующая схема  усилителя с ОЭ:

 

 

 

Через Rн протекает только переменная составляющая сигнала. С1 пропускает переменный сигнал на базу VT1 от источника сигнала, но не пропускает постоянную составляющую Ec(t), обеспечивает температурную стабилизацию каскада и снижает нелинейные искажения.

Система температурной стабилизации работает следующим образом: при повышении  температуры транзистора в соответствии с увеличением Iko, стремиться увеличиться и Ik (по уравнению Эбберса-Молла), при этом увеличивается и Iэ » Ik, увеличивается и Uэ = R₄ × Iэ. А напряжение на базе остается постоянным, т.к. сопротивления резисторов от температуры не зависят. Поэтому Uбэ = Uб - Uэ уменьшается, а при уменьшении Uбэ (в соответствии с уравнением Эбберса-Молла), Ik уменьшается. Введение Rэ обеспечило температурную стабилизацию и, как будет показано далее, уменьшило нелинейные искажения, но одновременно оно снизило Ku. Поэтому для сохранения нужного коэффициента усиления по переменной составляющей на частоте сигнала параллельно R₄ включают цепь R₅. Причем емкостное сопротивление на частоте сигнала должно быть пренебрежимо мало.

 

2.2. Расчет  нормирующих усилителей

Дано: +Е=24В, -Е =-24В, R_н=∞ (ставим буферный повторитель)

Выбираем  из справочника транзистор, например, КТ305Г. Его параметры:

Р_к.мах=350 мВт; U_кэ.нас=60В; I_к.мах=150мА; b=80…240; I_ko=1мкA.

Расчёт  по постоянному току:

1. Найдём U_э-е  (напряжение эмиттера относительно -E):

Е

2. Выбираем :

, пусть  А.

3. Определяем максимальный ток базы:

 А.

4. Определим R₄:

 Ом, из ряда номиналов выбираем R₄=1.1 кОм

5. Рассчитаем базовый делитель:

Пусть: А.

6. Определим R₂:

       , отсюда,

 В.

       Ом, из ряда номиналов выбираем R₂=8.2 кОм

 

 

7. Определим R₁:

       Ом, из ряда – R₁=30 кОм 
       8.  Определим R₃

, отсюда:

 В.

 Ом, из ряда – R₃=2.2 кОм.

Расчёт  по переменному току:

1.  Рассчитаем дифференциальное сопротивление:

 

 Ом

2.  Рассчитаем коэффициент усиления:

       

             

          

             

             

             

3.  Рассчитаем R5:

Из формулы  выразим R5 для каждого сигнала:

 

     если  , то

Отсюда 

R5(1)=0.2 кОм

R5(2)=1 кОм

R5(3)=16 кОм

R5(4)=3.9 кОм

R5(5)=16 кОм

4.  Рассчитаем входное сопротивление:

 Ом

5.  Рассчитаем сопротивление конденсаторов С1:

 Ом

 

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

6.  Рассчитаем сопротивление конденсаторов С2:

      Примем

 Ом

 Ом

 Ом

 Ом

 Ом

 

 

 

 

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 Ф, из ряда – Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет усилителя на ОУ.

Необходимо, чтобы усилитель  на ОУ преобразовывал напряжение по следующему закону: входному напряжению на 0 В должно соответствовать выходное напряжение       -2.76 В, а входному напряжению 1.28 В — выходное напряжение -1.36 В.

Т. е. Между входным и выходным сигналом должна быть следующая выходная зависимость:

U_вых=1.1U_вх-2.76  

 

Каскад  усилителя выполним на базе дифференциального  усилителя на ОУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходное напряжение усилителя зависит от входных в соответствии с уравнениями:

При R₁= R₃ и R₂= R₄ получаем:

 

           Получаем: ; В

  кОм кОм

Выбираем  ОУ с питанием ±24 В: КР544ОД1Б.

 

 

 

 

 

 

 Для  обеспечения U_вх2=4.38 В рассчитываем делитель напряжения по схеме замещения:

Задаемся  током I=200I_вх=200·10^-9 А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЁТ СИГНАЛОВ ПОСТУПАЮЩИХ НА КОМПАРАТОРЫ:

1. На первый компаратор поступает результат интегрирования с постоянной времени

для обеспечения  постоянной времени

подбираем R₁,С_1, R₂,  R₃ 

из условия 

R₃=2 кОм; R₂=1 MОм; R₁=4.3 МОм; C₁=100 мкФ

2. На второй компаратор поступает сигнал ослабления четвертого плюс 0.6:

 

 

 

 

    для обеспечения коэффициента ослабления 0.3,

подбираем R₁,R_3, R₂   =0,3

10 кОм

Пусть R₁=10 кОм, тогда R₂=3 кОм

          кОм

           MОм

          Из ВЗК   

           МОм

3.На третий компаратор поступает результат дифференцирования с постоянной времени с

 кОм

для обеспечения  постоянной времени равной

подбираем R₄,С_1, из условия R₄∙C₁=

C₁=0.2 нФ

R₄=3.3 кОм

 

4. На четвёртый компаратор поступает сигнал вычитания трейтего из первого канала ослабленные в 0.2 раза:

 

 

 

 

        

        

        0.2

       Тогда кОм

         кОм

5. На пятый компаратор поступает сигнал перемножения четвёртого и пятого каналов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;  кОм;

;   ;

Диод: КД105Б; _{Umax o}=400 В; Io=0.1 мА

;

;

 В

A

 кОм, Ом кОм

 6. На шестой компаратор поступает сигнал

  каналов:

Аналогичен  Y4 и Y2.

 

6. РАСЧЕТ КОМПАРАТОРА НА ОУ

Компаратор - это устройство, которое осуществляет сравнение U⁺ с U.^-    Он должен обеспечивать на выходе уровень логического нуля для КМОП при U_вхÎ[-24;0.72] В и уровень логической единицы при U_вхÎ[0.72;24] В.

 

Для обеспечения  этого условия необходимо на инвертирующий вход подать напряжение U_х=0.72В, а на неинвертирующий вход подать U_вх  (выходное напряжение операционного усилителя).

Данная схема обеспечивает выходное напряжение ±24 В, что соответствует уровням логическим единицы и нуля для КМОП. На выходе компаратора необходимо поставить диод VD1 для ограничения отрицательного напряжения. Выберем диод марки КД102Б.

 

 

Рассчитываем  делитель напряжения и . Входной ток LM301A - Iвх=1*10^-9А.  Пусть через резистор протекает ток .

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ ЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ

      Дано: таблица истинности

X1,X2,X3   X4,X5,X6	000	001	011	010	110	111	101	100
000	0	0	0	0	0	0	1	0
001	0	1	0	0	1	0	0	0
011	1	1	0	1	1	0	1	0
110	0	0	0	0	0	0	0	0
111	0	0	0	0	0	0	0	0
101	0	0	0	0	0	0	0	1
100	0	0	0	1	0	0	0	0

        Для остальных наборов Х значение У=0.

А) составляем карту Карно, располагая по вертикали и горизонтали значения входных переменных таким образом, что при переходе от одного квадрата к другому изменялось значение только одной переменной (по аналогии с  кодом Грея).

Б) записываем в квадраты карты  Карно значение выходных переменных, соответствующей данным наборам  значений входных переменных.

В) обводим  квадраты, содержащие логические нули.

Г) описываем  обведенные квадраты как произведение входных функций или их инверсные значения.

Д) поскольку  для данной карты Карно минимизация  не производиться, то искомая логическая функция представлена произведением значений соответствующих квадратов.

Е) по полученному  выражению изображаем принципиальную схему.

Логическая  функция:

=

 

 

 

5. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННОГО КЛЮЧА.

 

U_L=73 В;

I_L=0.81 А;

 Ом;

По этим параметрам выберем транзистор:

КТ807Б; I_k=0.5 A; U_{кэ max}=100 В; b=30…100;

Рассчитаем  ток базы:

 мА

Чтобы обеспечить необходимый ток базы, необходимо установить в цепи базы транзистора  компаратор на ОУ (I_{вых max}=22 мА). Используем компаратор, аналогичный установленным на входах логической схемы. На не инвертирующий вход компаратора подадим сигнал со счётчика, а на инвертирующий вход подадим максимальное напряжение логического нуля (0.8 В). Для этого используем делитель напряжения с резисторами номиналом R1=68 0 кОм и R2=130 кОм.

R3=100 кОм

 

6. ВЫБОР СХЕМЫ БЛОКА ПИТАНИЯ:

 

Для синтеза  блока питания необходимо знать  Мощность схемы и токи потребления.

Мощность  каскадов на транзисторах: P_T= 120 мВт

Мощность, потребляемая ОУ: P_ОУ=120*48=5760 мВт

Мощность, потребляемая логической схемой: P_л=1800 мВт

Мощность, потребляемая счётчиком: P_щ= 500 мВт

Полная  мощность: P_å=8180 мВт » 4 Вт

 А

Подберём  транзисторы:

n-p-n: КТ809А; I_к=2 А

p-n-p: КТ816А; I_к=2 А

 Ом;

U_k=U_э^+U_{кэ нас}+U_запаса=5 + 1 + 2=8 В;

Подберём  стабилитрон:

КС156А: U_ст=5.6 В;  I_{ст max}=55 мА;  I_{ст min}=3 мА;  I_ст=29 мА

Выбираем  балластный резистор:

 Ом;

 А;

 Ом;

В качестве фильтра используем электролитический  конденсатор ёмкостью 2000 мкФ, на 10 В.

 

Напряжение  перед диодным мостом:

 В

Действующее напряжение:

 В

 В

 В

Коэффициент трансформации:

Подберём  диоды для диодного моста:

КД202А; U_{до обр}=50 В; I_max=5А; I_обр=1 мА

Выберем диодный мост для питания лампочки.

U_L=36 В; I_L=0.35 А;

Выбираем  диоды:

КД106А; U_{max обр}=100 В; I_обр=0.01 мА;

Напряжение  перед диодным мостом:

U₁=U_L+0.7»36+1=37 В;

 В

Коэффициент трансформации:

В качестве фильтра используем электролитический  конденсатор ёмкостью 2000 мкФ, на 50 В.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Богданович М. И., Грель И. Н., Прохоренко В. А., Шалимо В. В. Цифровые и интегральные микросхемы. — Минск “Беларусь”, 1991.

2. Галкин В. И. Промышленная электроника — Минск “Вышэйшая школа”,1989.

3. Бодиловский В. Г. Справочник молодого радиста — Москва “Высшая школа”, 1983

4. Горошков Б. И. Радио-электронные устройства — Москва “Радио и связь”, 1984

5. Галкин В. И. , Булычев А. Л., Прохоренко В. А. Полупроводниковые приборы — Минск “Беларусь”, 1984.