Проектирование аналогового электронного устройства
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
Техническое задание
Спроектировать аналоговое устройство выполняющее операцию согласно выражению зависимости выходного сигнала Y от входных сигналов Х1 и Х 2 Y = (dХ1/ dt) (Х1 + ln Х2). Сигнал Х1 Iпост = 0…5 мА с аддитивной высокочастотной помехой от 150 Гц. Сигнал Х2 = Usin = 0…10 мВ, f =2 кГц. Частотный спектр информативных параметров сигналов 10…100 Гц. Выходной сигнал Y должен быть в виде импульсов ТТЛ с частотой 0…10 кГц. Сопротивление нагрузки Rн = 5 кОм.
Проектирование устройства включает в себя:
составление функциональной схемы устройства;
выбор схем отдельных функциональных узлов;
согласование узлов друг с другом по уровням сигналов;
согласование узлов по входным и выходным сопротивлениям;
выбор режимов работы отдельных узлов, обеспечивающих условия согласования;
электрический расчёт узлов устройства;
вычерчивание полной электрической схемы устройства;
составление спецификации использованных компонентов;
тестирование устройства с помощью программных продуктов, например, Electronics Workbench;
разработку печатной платы одного из фрагментов устройства.
1. Технический расчёт схемы
.1 Исходные параметры входных сигналов, помехи, нагрузки, выходного сигнала
Дано выражение зависимости выходного сигнала Y от входных сигналов Х1 и Х2:
Y = (dХ1/ dt) (Х1 + ln Х2) (1)
Сигнал Х1 задан в виде постоянного тока изменяющегося от 0 до 5 мА. Сигнал Х2 задан в виде переменного напряжения в форме синусоиды с частотой 2 кГц и изменяющегося от 0 до10 мВ. Частотные спектры информативных параметров сигналов, занимают полосу от 10 до 100 Гц. Сигнал на выходе устройства должен быть представлен в форме импульсов ТТЛ в полосе частот от 0 до 10 кГц в нагрузке с сопротивлением 5 кОм.
.2 Функциональная схема устройства
В соответствии с выходным сигналом, то есть выражением (1) должны быть выполнены операции дифференцирования, логарифмирования, сложения, умножения. Составляем функциональную схему в общем виде, рисунок 1.
Рисунок 1
Так как входные сигналы не представлены в виде однополярного напряжения, следовательно, их нельзя подавать на дифференциатор, логарифматор и сумматор. Следовательно первоначальная схема должна быть интерпретирована с соответствием форм входных сигналов, полосы помех, наложенных на входной сигнал Х1.
Так как входной сигнал Х1 представляет собой постоянный ток и имеет помехи от 150 Гц, необходимо преобразовать ток в напряжение с помощью преобразователя тока в напряжение (ПТН). Для того чтобы избавиться от помех необходимо использовать низкочастотный фильтр.
Входной сигнал Х2 представляет собой синусоиду, следовательно сигнал должен быть преобразован в однополярное напряжение для подачи на логарифматор. Для этого используем прецизионный амплитудный выпрямитель напряжения.
Выходной ток должен быть представлен в виде импульсов ТТЛ, для этого применим преобразователь напряжения в частоту, в итоге получится сигнал в виде импульсов изменяющихся с частотой. Итоговая структура схемы примет вид, представленный на рисунке 2.
Рисунок 2.
2. Выбор и расчёт принципиальных электрических схем
.1 Выбор и согласование уровней сигналов функциональных схем
В принципиальной схеме присутствует дифференциатор с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой. Зависимость коэффициента передачи от частоты рисунок 3.
Рисунок 3.
Для низшей частоты, то есть 0 коэффициент передачи операционного усилителя Ku=0Дб/дес, а для высоких частот возрастает на 20 Дб/дес. Если рассматривать в относительных единицах, то 1 к 10, то есть если на вход подаётся 1 В, то на выходе 10 В. По техническим характеристикам амплитуда выходного сигнала изменяется от -10 В до +10В. Следовательно на вход интегратора может поступать сигнал имеющий амплитуду не более 1 В, и изменятся от -1 В до 1 В. Иначе сигнал вышедший из дифференциатора потеряет свою информацию и будет постоянным по времени иметь максимальное значение равное 10 В. Рисунок 4 показывает входной сигнал и выходной сигнал, при данной проблеме.
печатный плата сигнал схема
Рисунок 4.
.2 Схема преобразователя тока в напряжение (ПТН)
Используем преобразователь тока в напряжение на операционном усилителе, работающий на малых токах. Примем коэффициент передачи фильтра равным единице.
Так как входное сопротивление ОУ очень велико, а выходное пренебрежимо мало, то весь ток проходит по Rх. Далее ток делится и идёт на нагрузку (то есть в следующее устройство) и на выход ОУ для обратной связи с источником сигнала. Рисунок 5 - принципиальная схема ПТН.
Рисунок 5
Преобразователь тока в напряжение должен преобразовывать напряжение так что, если на вход подаётся ток от о до 5 млА, то на выходе должно выйти напряжение от о до 1 В.
Следовательно Rx=Uвых/Iвх=1/(5*10E-3)=0,2*1000=200 Ом. Для коррекции потенциала на инвертирующем входе установим R1 равный Rх.
В данной схеме используется ОУ154УД1, относящийся к классу макромощных быстродействующих.
Основные параметры:
коэффициент усиления К, тыс. >200,
напряжения питания Uп, В 151,5,
ток потребления Iп, мА <0,12,
средний входной ток Iвх, нА <20,
частотная полоса f 1, МГц >1,
выходной сигнал Uвых, В <12,
минимальная нагрузка Rн, кОм >2,
выходное сопротивление Rвых, Ом <300,
Частотная коррекция внутренняя. Схема