Расчёт и моделирование частотно-избирательного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Пензенский государственный университет

Кафедра: «Автономные информационные и управляющие системы»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по теме

«Расчёт и моделирование частотно-избирательного усилителя»

Дисциплина «Электроника и электротехника (электроника)»

Разработал студент: Матвеев М.А.

Руководитель работы: к.т.н., доцент.

Вольсков А.А.

Пенза, 2013 год



Пояснительная записка содержит 16 страниц.

Разработкой является принципиальная схема устройства для усиления и фильтрации сигнала, идущего с датчика.

Целью работы является расчет и моделирование схемы частотно-избирательного усилителя для получения наиболее оптимального режима обработки сигнала.

В процессе работы даны обоснования и выбор принципиальной схемы устройства с использованием ПЭВМ, проведено моделирование его работы, получены основные характеристики и параметры устройства.

В результате работы была созданы принципиальная схема устройства в полном соответствии с заданием.



1. Анализ и проектирование схемы

Исходные данные:

датчик: ес=1,9 мВ, Ri=1 кОм;

нагрузка: URn=3,5 В, Rn=1 кОм;

усилитель: fвc=16 кГц.

Исходя из заданных параметров составим структурную схему устройства.

Между каждым блоком схемы поставим разделительный конденсатор , чтобы исключить взаимное влияние каскадов по постоянному току.

Так же поставим три буферных каскада: для согласования с датчиком, для согласования с нагрузкой, один буферный каскад необходимо поставить между звеньями усилительных каскадов. Согласно заданию добавляем усилитель и ARC - фильтр.

Рисунок 1

Рассчитаем коэффициент усиления схемы k

Находим коэффициент усиления каждого усилительного каскада

К=v1842=42,91.

Возьмем его с запасом 25%: К=54.

2. Расчет усилительного каскада

Определим мощность рассеивания на сопротивлении нагрузки, так как эту мощность необходимо обеспечить транзистором эмиттерного повторителя.

По исходным данным выбираем для схемы на ОЭ биполярный транзистор КТ373Г, hЭ21=100. Схема на ОЭ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Принципиальная схема УК на ОЭ

Рабочую точку выберем таким образом, чтобы обеспечить наибольший коэффициент усиления и минимальное искажение выходного сигнала. Для этого рассчитаем ток коллектора Iк0. В рабочей точке он должен быть больше переменной составляющей коллекторного тока ik m, а она, в свою очередь должна быть в 2…3 раза больше тока нагрузки in m. Из этого следует, что in m=URn/Rn=0,175 мА; iк m=3* in m=0,525 мА; Iк0=1,2*iк m=0,787 мА.

Согласно выходным характеристикам примем источник питания Е=15 В, Uк-э0=6 В, Uб-э=0,7 В.

Произведем расчет элементов и параметров схемы.

Uк=Е/2=7.5 B

R3=Е/2Iк0=9.524 кОм (По ряду Е24 R3 = 9.1 кОм)

Rэ=R3/K=355 Ом (По ряду Е24 R4 = 360 Ом)

Rэ = R4+ R5

R4 =100 Ом

R5 =255 Ом (По ряду Е24 R5 = 240 Ом)

Iб0=Iк0/hЭ21=7.875 мкА

Iэ0=Iк0+Iб0=0.79 мА

IR2=10*Iб0=78.75 мкА

IR1=Iб0+IR5=86.62 мкА

R2=(Uб-э+R7*Iэ)/IR5=12.47 кОм (По ряду Е24 R2 = 12 кОм)

R1=(E-Uб-э+R7*Iэ)/IR4=168.3 кОм (По ряду Е24 R1 = 160 кОм)

С3=10/(2*р*fнс*Re)=0.448 мкФ. (По ряду Е24 С3 = 430 мкФ)

Из полученных данных рассчитаем входное и выходное сопротивления каскада:

1/Rвх=1/R4+1/R5+1/(rэ'+Rэ')

Отсюда Rвх=8.939 кОм

1/Rвых=1/R6+1/R5+1/(rэ'+Rэ')

Rвых =4.741 Ом

3. Расчет буферного каскада

Выбираем транзистор КТ373Г ( hЭ21=100)

k=0.75, Uкэ=6В, Iэ=1мА, Iэ0=1.33мА, Iк=1.32 мА, Iб0=13.2 мкА.

Рисунок 2 Принципиальная схема БК на ОК

Выберем ту же рабочую точку, что и для каскада на ОЭ.

Рассчитаем номиналы элементов схемы:

Rэ=R6+R7=9,879 кОм (По ряду Е24 Rэ = 10 кОм)

R1=((Ik0+Ib0)*Rэ+Ub-e0)/7.5*Ib0=240,62 кОм (По ряду Е24 R1 = 240 кОм)

Rб=(E-( Ik0+Ib0)*Rэ-Ub-e0)/7.5*Ib0=27,59 кОм (По ряду Е24 Rб = 27 кОм)

Из графиков входных характеристик:

Ub-e0 =0.16 В

= 0.095 мА

В

Определяем входное сопротивление транзистора

(По ряду Е24 Rвхэ = 1.6 кОм)

Определяем входное сопротивление каскада

(По ряду Е24 Rвх = 100 кОм)

Определим выходное сопротивление каскада

.

(По ряду Е24 Rвых = 27 Ом)

Рассчитаем ёмкости разделительных конденсаторов по формуле:

Ср?

Получим:

С1=500 нФ, (По ряду Е24 С1 = 510 нФ)

С2=С5=С6=С8=40 мкФ, (По ряду Е24 С2 = 39 мкФ)

С3=400 нФ, (По ряду Е24 С3 = 390 мкФ)

С4=С7=448 мкФ, (По ряду Е24 С4 = 430 мкФ)

С9=С10=С11=С12=6.25 мкФ. (По ряду Е24 С9 = 6.2 мкФ)

4. Расчет ФВЧ

Исходные данные:

fc=1.6 кГц, fз=0.8 кГц,

Мc= -3 дБ, Мз= -20 дБ.

Рассчитаем порядок ФНЧ с аппроксимацией по Баттерворту:

?3.318. (округляем до 4)

каскад мощность транзистор

Вычислим нули и полюса передаточной функции. Полином:

D(p)=(1+0,765*p+p2)*(1+1,848*p+p2 ).

Полюса передаточной функции:

p1,2= -0,924+i*0,382; р3,4= -0,383+i*0,924.

Рассчитаем собственные нормированные частоты, добротности и коэффициенты затухания пар комплексно-сопряженных полюсов:



Щр=, Qp= - , dp=1/Qp.

Получим следующие значения: для первой комплексно-сопряженной пары полюсов:

Щр1=1, Qp1=0.541, dp1=1,848,

Щр2=1, Qp2=1,306, dp2=0,766.

Звенья необходимо будет расположить в порядке увеличения добротности Qp.

Теперь рассчитаем значения элементов схемы фильтра. Выбрана схема из двух звеньев второго порядка на ИНУН (рисунок 3), коэффициент усиления каждого звена К=2.

Рисунок 3 ФВЧ на ИНУН второго порядка



Исходя из формул получим: для первого звена:

С1= С2 =6,25 нФ (6,2 нФ по ряду номиналов Е24),

R1=12.18 кОм (12 кОм по ряду номиналов Е24),

R2=20.79 кОм (20 кОм по ряду номиналов Е24),

R3= R4=24.35 кОм (24 кОм по ряду номиналов Е24),

для второго звена:

С1= С2 =6,25 нФ (6,2 нФ по ряду номиналов Е24),

R1=17.23 кОм (18 кОм по ряду номиналов Е24),

R2=14.71 кОм (15 кОм по ряду номиналов Е24),

R3= R4=34.46 кОм (36 кОм по ряду номиналов Е24),



5. Экспериментальная часть

Рисунок 4 Показания осциллографа

Рисунок 5 АЧХ усилителя с маркером в полосе пропускания



Рисунок 6 АЧХ фильтра с маркером на частоте среза

Рисунок 7 АЧХ фильтра с маркером на частоте задержания

Рисунок 8 График передаточной функции ФВЧ



Заключение

В результате выполнения курсовой работы были произведены конструирование и расчет электронного устройства с заданными параметрами. Результаты моделирования подтвердили правильность выполнения расчетов. Были выбраны марки резисторов, конденсаторов и транзисторов. Получены амплитудно-частотные характеристики усилителя и фильтра.

В результате расчета и моделирования ФНЧ была получена АЧХ, которая полностью соответствует заданным требованиям.

Была проделана работа, результаты которой в целом показали выполнение требований задания.



Список использованных источников

1. Е. А. Филипов, А. А. Вольсков. Проектирование и расчет усилителей и активных фильтров: Учебное пособие. Пенза, Издательство ПГУ, 2013 г.

2. Курс лекций по дисциплине "Электроника и электротехника" - Лектор Вольсков А.А.

Размещено на Allbest.ru

...