Розробка двовходового інвертуючого суматора на ОП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тернопільський національний економічний університет

Кафедра комп'ютерної інженерії

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Комп'ютерна електроніка»

на тему: «Розробка двовходового інвертуючого суматора на ОП»

Студентки

Коченко А.О.

м. Тернопіль - 2013

Зміст

Вcтуп

1. Розробка двоходового інвертуючого суматора

1.1 Загальні відомості

1.2 Розробка структурної схеми

2. Попередній розрахунок інвертуючого суматора

2.1 Розрахунок інвертуючого суматора

2.2 Розрахунок однофазного мостового випрямляча з ємнісним фільтром

3. Моделювання пристрою

3.1 Вибір програмного забезпечення

3.2 Розробка моделі

3.3 Результат моделювання

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Електроніка -- галузь науки, що вивчає фізичні явища в напівпровідникових елементах, електричні характеристики та властивості пристроїв і схем, побудованих на їх базі.

Становлення електроніки як науки можна віднести до початку XX ст., коли було винайдено електронну лампу -- діод (В. Флемінг, 1904 р.). В 50-х роках із винаходом напівпровідникового транзистора (У. Шок-лі, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948 р.) розпочався етап напівпровідникової електроніки. Завдяки своїм перевагам порівняно з вакуумними приладами, транзистори зумовили бурхливий розвиток електроніки, що характеризувався малогабаритністю та відносно малим енергоспоживанням. Новий поштовх розвитку електроніки надали інтегральні схеми (мікросхеми), промисловий випуск яких розпочався у шістдесятих роках й особливо сприяв інформаційній електроніці. Це привело до створення надвеликих інтегральних схем, які стали основними компонентами мікропроцесорів і електронних обчислювальних машин (ЕОМ).

Функціональні елементи, побудовані на базі інтегральних схем, поділяються за формою оброблюваних сигналів відповідно на аналогові та дискретні.

Аналогові функціональні елементи працюють з неперервними в часі електричними сигналами. Основною ознакою таких елементів є однозначна залежність вихідного сигналу від вхідного у кожний конкретний момент часу.

Дискретні функціональні елементи працюють з квантованими сигналами. Особливістю таких елементів є те, що відтворення вхідної інформації про досліджуваний процес внаслідок квантування характеризується частковою її втратою.

Сьогодення електроніки характеризується широким використанням цифрових елементів, у яких дискретні сигнали шляхом їх кодування заміняються відповідними числами.

Такі елементи оперують логічними одиницями, що забезпечує подання будь-якої інформації у двійковій системі числення.

1. Розробка двовходового інвертуючого суматора

1.1 Загальні відомості

Операційний підсилювач (ОП) - це ППС, що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між каскадами, з диференційним входом і біполярним відносно амплітуди підсилюваного сигналу виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП за відсутності вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі легко з'єднувати послідовно, а також охоплювати зворотними зв'язками.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні.

За трикаскадною схемою будувались ОП у інтегральному виконанні першого покоління. Перший диференційний каскад у них працює в режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим високий вхідний опір. Другий диференційний каскад забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується як двотактний з СК і забезпечує підсилення потужності, а також низький вихідний опір [1, пп. 3.7.2]

ОП другого покоління будуються за двокаскадною схемою. Це стало можливим із зростанням рівня інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і високий вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони використовувались для моделювання математичних операцій (додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ).

Із розвитком інтегральної техніки області використання ОП значно розширились. Нині вони використовуються в основному як високоякісні підсилювачі напруги при побудові будь-яких електронних пристроїв. А АОМ тим часом були витіснені цифровими обчислювальними машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить ; високий вхідний опір по кожному з входів - ; низький вихідний опір; досить широкий частотний діапазон - від нуля до одиниць мегагерц.

За ними ОП для багатьох застосувань наближаються до ідеального підсилювача, що має

1)

2) два симетричних входи з

3)

4) безкінечний діапазон частот підсилюваного сигналу.

При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі у десятки тисяч разів реальні ОП не застосовують, бо їх коефіцієнт підсилення (як і інші параметри) - величина вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Умовні позначення ОП

Вхід, на який подано називається інвертуючим, а - неінвертуючим.

Якщо сигнал подати на неінвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо сигнал подати на інвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть протилежний знак (фазу) щодо до змін вхідного. Інвертуючий вхід використовують для охоплення ОП зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий - ПЗЗ.

Схема інвертуючого суматора зображена на рис. 1.2. Він виконаний за типом інвертуючого підсилювача з кількістю паралельних гілок на вході, що дорівнює числу сигналів. Якщо опори всіх резисторів схеми однакові , то при маємо

,

Рисунок 1.2- Інвертуючий суматор

Останнє співвідношення відбиває рівноправну вагову участь доданків у їх сумі. Підсумовування може виконуватись також з різними ваговими коефіцієнтами для кожного з доданків.

Досягається це використанням різних значень опорів резисторів у вхідних гілках

Тим, що точка з'єднання резисторів має нульовий потенціал ("віртуальний нуль"), виключається взаємний вплив джерел вхідних напруг.

1.2 Розробка структурної схеми

В структурну схему ми включимо два функціональні блоки:

1. Сам операційний підсилювач, який має два контакти для підключення живлення, один вхід і один вихід;

2. Блок живлення для даного підсилювача, яким потрібно подати живлення з побутової розетки яка має напругу 220В і частоту зміни струму 50 Гц і перетворити на двополюсний струм +15В і - 15В для живлення мікросхеми.

Рисунок 1.3 - Структурна схема пристрою

БЖ - блок живлення

ОП - операційний підсилювач

СН - стабілізатор напруги

і - відповідно вхідний і вихідний (підсилений) сигнали

- зворотна напруга

- струм від розетки

і - відповідно плюсова і мінусова напруга живлення мікросхеми

2. Попередній розрахунок інвертуючого суматора

2.1 Розрахунок інвертуючого суматора

Вихідна схема приведена на рисунку 2.1, а дані для розрахунку - в таблиці 2.1.

Рисунок 2.1 - Розрахункова схема двовходового інвертуючого суматора на ОП

Таблиця 2.1 - Вихідні дані для розрахунку інвертуючого суматора на ОП

Параметр	Одиниця виміру	11
R1	кОм	1
R2		1,5
R3		Х
R4		2
U1	В	1,5
U2		-2,5
U3		2,5
I1	мА	X
I2		X
І3		X
І4		X
КU33	-

Виходячи з наведеного вище, а саме: вважаючи ОП за ідеальний, при аналізі схем з ОП слід виходити з таких положень:

1) коефіцієнт підсилення ОП нескінченний;

2) входи ОП струму не споживають ();

3) у вихідних колах ОП падіння напруги відсутнє ();

4) якщо ОП охоплено НЗЗ і він працює у лінійному режимі (в режимі підсилення, а не насичення), різниця потенціалів між його входами .

Доведемо останнє положення.

Якщо , то .

Реально нулю не дорівнює. Але це настільки незначна величина, що для більшості схем на ОП нею можна знехтувати. Дійсно, якщо, наприклад, (це майже відповідає насиченню), , то .

Оскільки на неінвертуючий вхід подана напруга (він з'єднаний з нульовою точкою), a , то і потенціал інвертуючого входу також дорівнює нулю (віртуальний нуль). У результаті джерелом вхідного сигналу пристрій сприймається як R₁ - вхідний опір підсилювача дорівнює величині опору резистора R₁.

Необхідно визначити:

1) Опір резистора R_3,

2) величину струмів I₁, I₂; I₃;

3) правильність позначення на рис. 2.1 напрямків протікання струмів;

4) тип та потужність резисторів каскаду.

Маючи вихідні дані для розрахунку обрахуємо величину струмів.



Оскільки, вхідний опір операційного підсилювача дорівнює нескінченності, то за першим законом Кірхгофа І₁=І₃ То і І₁=0,0015А.

Маючи всі необхідні дані ми обрахували величину І₄ = 0.003А.

Маючи значення напруги і силу струму визначаємо опір R_3.

Вибираємо резистор R3 з параметрами 1.6 кОм.

Оскільки, номінали резисторів відповідають таблиці, то наступним кроком буде розрахунок потужностей резисторів для того що встановити потрібну марку і тип.

Всі ці обчислення будуть приведені за цією формулою.

Тоді,

Електрична принципова схема інвертуючого суматора з параметрами, отриманими за даними розрахунку і побудованого на ОП 140УД7, наведена у КР. КЕ. 07190/12.00.00.000 ЕЗ.

Звернемо увагу на те: оскільки, підсилювач призначений для підсилення сигналу напруги постійного струму, то коригуючий конденсатор С не встановлюємо.

Оскільки, ми використали мікросхему типу К140УД7, то нам потрібно забезпечити її живлення для цього нам потрібно розрахувати блок живлення.

Вихідні дані при застосуванні стабілізатора з фіксованою напругою стабілізації:

1) напруга на виході U_вих = 15 В;

2) мінімальна вхідна напруга U_{вх min} = 17,5 В;

3) максимальна вхідна напруга U_{вх max} = 35 В;

4) потужність навантаження Р_н = 0,052 Вт.

Вихідні дані при застосуванні універсального стабілізатора КР142ЕН8В:

1) напруга на виході U_вих = 15 В;

2) мінімальна вхідна напруга U_{вх min} = 18,5 В;

3) максимальна вхідна напруга U_{вх max} = 35 В;

4) потужність навантаження Р_н = 0,052 Вт.

Порядок розрахунку

1) При побудові стабілізатора напруги на основі ІМС стабілізатора з фіксованим значенням вихідної напруги, необхідно вибрати відповідну ІМС (для даного варіанту завдання - за табл. 3.8 - це КР142ЕН8В з U_вих = 15 В) і перевірити її на можливість застосування за напругою та на неперевищення допустимого значення розсіюваної потужності у заданих умовах.

За напругою необхідно забезпечувати виконання умов:

U_{вх max} < U_{вх max доп},

де U_{вх max доп} - максимально допустима вхідна напруга ІМС;

U_{вх min} - U_вих > U_{ІМС min}.

Оскільки:

U_{вх max} = 35 В ?35 В = U_{вх max доп}

18,5 - 15 = 2,5 В ?2,5 В = U_{ІМС min},

то за напругою дана ІМС відповідає умовам завдання.

Перевіримо можливість застосування ІМС КР142ЕН8В за потужністю, якщо її струм навантаження становить:

І_н = Р_Н / U_вих = 0,052 / 15 = 0,0035 А,

а максимальне падіння напруги на ній за формулою дорівнює:

ДU = 35 - 15 = 20 В.

Тоді, Р_ІМС = 20·0,0035 = 0,007 Вт.

Оскільки Р_ІМС = 0,007 Вт < 1 Вт,

то ІМС у даному разі можна використовувати без тепловідводу.

2) Електричну принципову схему отриманого стабілізатора з фіксованою вихідною напругою наведено на рис. 2.2.

Рисунок 2. 2 - Стабілізатор напруги на ІМС КР142ЕН8В.

2.2 Розрахунок однофазного мостового випрямляча з ємнісним фільтром

Вихідні дані:

1) середнє значення випрямленої напруги за номінального опору навантаження U_d = 20 В;

2) струм навантаження I_d = 0,0035 А;

3) коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги К_n = 2,5 %;

4) напруга мережі живлення U_м = 220 В;

5) частота мережі живлення ѓ_м = 50 Гц.

Необхідно визначити:

1) тип і параметри вентилів;

2) режими роботи схеми (значення струмів в елементах та напруг на них);

3) ККД випрямляча;

4) ємність та тип конденсатора фільтра.

Порядок розрахунку

1) Обчислимо орієнтовні значення параметрів вентилів та габаритну потужність трансформатора.

Для цього необхідно, задати значення допоміжних коефіцієнтів B, D i F. Для мостової схеми їх вибирають у інтервалах:

B = 0,95...1,1; D = 2,1...2,2; F = 6,8...7,2.

Нехай, B = 1,06; D = 2,15; F = 7,0.

Тоді амплітуда зворотної напруги на вентилі становитиме:

U_вт = l,5U_d = 1,5 · 20 = 30 В.

2) Середнє та амплітудне значення струму через вентиль буде мати вигляд:

I_am = I_d · 0,5F.

Отже , А;

І_am = 0,0035 · 0,5 · 7 = 0.01 А.

1) Габаритну потужність трансформатора визначимо як:

S_TР = U_d I_d · 0,707 BD = 20· 0,0035 · 0,707 · 1,06 · 2,15 = 0.11 В А.

За визначеним значенням габаритної потужності з таблиці вибираємо трансформатор ТА1,

S_T = 10 ВА.

4) Вибираємо тип вентилів за таблицею. При цьому необхідно прослідкувати за виконанням всіх умов:

U_{зв max} > U_вm; I_{a max} > I_a; I_{aт max} = рI_a > I_aт.

У якості вентилів вибираємо кремнієві діоди типу КД205Д, що мають такі параметри:

U_{зв max} = 100 В > 30 В;

I_{а max} = 0,5 А > 0,0035 А;

I_{aт max} = рI_am = р · 0,5 = 1,57 А >0,0035 А;

U_np = 1 В.

5) Знаходимо опір діода у провідному стані:

Ом.

6) Діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора становить:

U₂ = BU_d; U₂ = 1,06·20 = 21,2 В.

7) Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора:

I₂ = 0,707DI_d = 0,707·2,57·0,0035 = 0,006 А.

8) Повна потужність вторинної обмотки трансформатора:

S₂ = 0,707BDI_dU_d = 0,707·1,06·2,57·0,0035·20 = 0,12 ВА.

9) Діюче значення струму первинної обмотки трансформатора:

I₁ = I₂n,

n = U₂/ U₁

I₁ = 0,006·0,096= 0,0005 А.

10) Повна потужність первинної обмотки трансформатора:

S₁ = 0,707BDI_dU_d = U₁I₁ = 220·0,0005 = 0,11 ВА.

11) Уточнимо повну (габаритну) потужність трансформатора:

= 0,11 Вт < 10 Вт.

12) Уточнимо значення параметрів діода:

U_вm = 1,41BU_d;

I_a = I_d/2 = 0,0035 / 2 = 0,001 А < 0,5 А;

I_am = 0,5FI_d = 0,5·7,25·0,0035 = 0,01 А < 1,57 А.

U_вm = 1,41·1,06·20 = 29,8 В < 100 В;

Отже, тип діода вибрано правильно.

13) Знайдемо величину ємності конденсатора фільтра:

= 686 мкФ.

З даних таблиці вибираємо конденсатор типу К50-7 ємністю 1000 мкФ і на напругу U = 50 В > U₂ = 1,41·21,2 = 29,89 В.

14) Обчислюємо значення напруги холостого ходу випрямляча:

U_dX.X. = U_2m = U₂ = 1,41·29,89 = 29,89 B.

15) Знайдемо величину активного опору обмоток трансформатора:

де k_r - коефіцієнт, що залежить від схеми випрямлення: для мостової схеми k_r = 3,5;

B_m - амплітуда магнітної індукції у магнітопроводі трансформатора, Тл;

S - число стержнів трансформатора, на яких розміщено обмотки: для броньового трансформатора із Ш-подібними пластинами магнітопроводу S=1.

Ом.

У загальному випадку:

r = r_Т + n_q r_пр

де n_q - кількість послідовно увімкнених і одночасно працюючих вентилів, для мостової схеми n_q = 2; r_пр - опір діода у провідному стані:

Ом.

r = 773 + 2·2 = 777 Ом.

16) Величина струму короткого замикання становить:

А.

Величина внутрішнього опору випрямляча становить:

Ом.

Проведемо розрахунки для обчислення величини ККД випрямляча:

де Р_T - втрати потужності у трансформаторі з ККД. з_T = 0,86;

Р_B - втрати потужності у одночасно працюючих діодах: n_q = 2.

Втрати потужності у трансформаторі:

Р_T = S_T(1 - з_T) = 0,11(1 - 0,85) = 0,016 ВА.

Втрати потужності у діодах:

P_В = I_аU_прn_q = 0,15·1·2 = 0,3 ВА.

Тоді,

Електрична принципова схема, однофазного мостового випрямляча з ємнісним фільтром представлена на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - Однофазний мостовий випрямляч з ємнісним фільтром. Схема електрична принципова

3. Моделювання пристрою

3.1 Вибір програмного забезпечення

Після всіх розрахунків ми почали моделювання нашої схеми. Моделювання ми проводили в середовищі програми Multisim 11.0 ми в точності склали електричну принципову схему, також задали потрібні номінали резисторів, діодів, конденсаторів. Для створення сигналів на вхід операційного підсилювача ми за допомогою генератора задали струм з напругою 0,2В та частотою 1кГц (для того щоб можна було чітко побачити графік) на виході ми приєднали осцилограф, до каналів якого приєднали вхідний сигнал і вихідний, щоб можна було побачити конкретні їхні зміни. Перевіривши правильність зібраної схеми ми її ввімкнули і розглядаючи побудований графік (рис. 1) ми побачили що схема працює правильно.

3.2 Розробка моделі

Рисунок 3.1 - Електрична принципова схема модельованого суматора на К140УД7

Для побудови даної схеми ми використовували середовище Multisim 11.0. Для побудови електричної принципової схеми модельованого підсилювача на К140УД7 ми обрали такі елементи:

· Резистори опорами: R1=1 кОм, R2=1,5 кОм, R3=1,6 кОм, R4=2 кОм.

· Операційний підсилювач LM741H, який є аналогом до К140УД7.

· Генератор функцій XFG1, XFG2.

· Осцилограф XSC1.

3.3 Результати моделювання

Провівши дане моделювання за схемою, яку ми представили на рисунку 3.1. Ми отримали зображення трьох синусоїд, на яких показала нам робота інвертуючого суматора. Для того, щоб побачити результати даної схеми ми використовували осцилограф XSC1.

Рисунок 3.2 - Графік роботи суматора на К140УД7

Висновок

Отже, в цій курсовій роботі ми розраховували двоходовий інвертуючий суматор на ОП дослідили їхні основні параметри, за якими вони вибираються. Розрахувавши представлені у варіанті дані ми вибрали потрібну мікросхему ОП, побачивши що їй потрібне додаткове живлення ми обрахували блок живлення. Побудували структурну і принципову схему даного суматора. Забезпечили певну покращену схему даного приладу поставивши резистор зворотного зв'язку змінним, тим самим забезпечили ручну зміну підсилення вхідного сигналу.

Зробили моделювання приладу і переконалися, що розраховані параметри вихідного сигналу співпадають з дійсними параметрами проектованого підсилювача.

Спроектований суматор повністю задовольняє вимоги технічного завдання й конструктивно може бути виконаний на друкованій платі.

суматор фільтр програмний сигнал

Список використаних джерел

Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікро схемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб./за ред. А.Г. Соскова. - К.: Каравела, 2004. - 432с

Бабич М.П., Жуков І.А. Комп'ютерна схемотехніка: Навчальний посібник. - К.: МК-Прес, 2004. - 412с

Схемотехніка електронних систем. Цифрова схемотехніка. Підручник / В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйкою та ін. - К.:Вища школа, 2004. - 423с.

Буняк А.М. Електроніка та мікро схемотехніка. Навчальний посібник.- Київ -Тернопіль: СМП ”Астон”,2001.- 382с.

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, комутационные устройства РЭА: Справочник./ Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994.- 591с.

Стахів П.Г., Коруд В.І., Гамола О.Є. Основи електроніки: функціональні елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних спеціальностей вищих навчальних закладів. -- Львів: «Новий Світ--2000»; «Магнолія плюс».--2003. --208 с.

Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2 т. - М.: Мир, 1984.

Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. - В 2т. - К.: Выща школа, 1989.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1993.

Токхейм Р. Основы цифровой электроники. - Мир, 1989.

12. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Прикладна теорія цифрових автоматів»./ В.В. Яцків, Н.Г. Яцків. - Тернопіль: Економічна думка, 2005. - 60 с.

13. Трембач Р.Б., Васильків Н.М., Паздрій І.Р. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни “Комп'ютерна електроніка” для студентів напряму підготовки “Комп'ютерна інженерія” освітньо-кваліфікаційного рівня “бакалавр” - Тернопіль: ФО-П Шпак В., 2012.

Размещено на Allbest.ru

...