Расчет электрических схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра «Теоретические основы электротехники»

Курсовая работа

По дисциплине: «Электроника микропроцессорные средства и техника связи»

Тема: Расчет электрических схем

Выполнил: студент 431 б группы

Зорин М.Ю.

Проверил: Куликов В.А.

Ижевск 2008



Введение

Одной из характерных особенностей нашего времени является бурное развитие электроники. Её значение очень велико. Без электронных устройств не может существовать ныне ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие нашего общества, но и на социальные процессы, распределение рабочей силы и т.д.



Раздел 1. Расчет усилителя напряжения на биполярном транзисторе

1.1 схема усилителя напряжения

Рисунок 1.1 -Схема усилителя напряжения

1.2 Исходные данные для расчета

Максимальная амплитуда напряжения холостого хода источника входного сигнала, E_гм = 0,25 В

Внутреннее сопротивление источника входного сигнала R_г= 100 Ом

Максимальная амплитуда напряжения нагрузки U_нм= 1,6 В

Сопротивление нагрузки R_н= 1000 Ом

Нижняя частота усиления f_н=50 Гц

Коэффициент частотного искажения на частоте f_н M_н=1,6

1.3 Назначение элементов схемы

VT1 - управляемый элемент

R_б1 и R_б2 - цепь смещения начальной рабочей точки (точки покоя) транзистора для обеспечения активного режима работы и усиления в классе А;

R_н - эквивалент нагрузки;

R_к - нагрузка транзистора по постоянному току;

R_э - резистор отрицательной обратной связи (ООС по току);

R_г и Е_г - эквивалент источника входного сигнала;

С₁ и С₂ - разделительные конденсаторы, исключают влияние усилителя на источник входного сигнала и нагрузку по постоянному току.

1.4 Принцип работы схемы

Принцип работы схемы заключается в следующем: при наличии постоянных составляющих и напряжений в схеме подача на вход усилителя переменного напряжения приводит к появлению переменой составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи усилителя (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С₂ предается на выход каскада - в цепь нагрузки. На выходе усилителя сигнал будет находиться в противофазе с входным, следовательно, усилитель - инвертирующий.

1.5 Расчет схемы

1.5.1 Определение заданного коэффициента усиления по напряжению

,



1.5.2 Расчёт сопротивления резистора коллекторной цепи транзистора, кОм

,

где k_р - коэффициент соотношения сопротивлений R_к и R_н

При R_н 1 кОм k_р =1,2…1,5 Принимаем k_р =1,5

Округляем до стандартного значения R_к=2,4 кОм

1.5.3 Расчёт сопротивления нагрузки транзистора по переменному току, кОм

1.5.4 Расчёт максимальная амплитуда переменного тока коллектора, мА



1.5.5 Ток коллектора в начальной рабочей точке (ток покоя) мА

где k_з - коэффициент запаса (0,7-0,95). Принимаем k_з=0,7

1.5.6 Минимальное напряжение коллектор - эммитер в точке покоя

где U₀ - граничное напряжение U_кэп транзистора между активным режимом и режимом насыщения.

Для транзисторов с Рк U₀=1 В

1.5.7 Напряжение коллектор-эмиттер в начальной рабочей точке (точке покоя)

При U_кэmin,< 5 В принимаем U_кэп=5 В.

1.5.8 расчёт сопротивления резистора отрицательной обратной связи

Округляем до ближайшего стандартного значения R_э=110 Ом

1.5.9 Расчёт напряжения источника питания

Принимаем E_п= 13 В

1.5.10 Выбираем транзистор по предельным параметрам из условий

U_{кэ max} > E_п = 13 В

I_{к max} > I_кп = 3,24 мА

P_{к max} > I_кп*E_п= 42,12 мВт

Выбираем транзистор КТ312B со следующими параметрами

U_{кэ max} =20 В

I_{к max} =30 мА

P_{к max} =225 мВт

h_21э =50 - 280

I_эо I_ко =10 мкА

1.5.11 Ток базы покоя транзистора



1.5.12 Определение напряжения покоя база - эмиттер

Используем относительное выражение для ВАХ эмиттерного перехода транзистора из нелинейной модели «Эбера-Молла».

где m =1,2,…,3 -поправочный коэффициент, учитывает не идеальность электронного перехода (m=2);

I_эо - обратный ток эмиттерного перехода;

U_бэ>3тц_Т = 150 мВ - поскольку эмиттер находится в активном насыщении, в этом случае единицей можно пренебречь.

,

можно получить

где ц_Т - температурный потенциал принимаем равным 26 mB

1.5.12 ток делителя цепи смещения

1.5.13 Расчёт сопротивления цепи смещения

округляем до стандартного значения R_б2 =2 кОм.

округляем до стандартного значения R_б1 =39 кОм

1.5.14 Эквивалентное сопротивление цепи смещения

1.5.15 Расчёт входного сопротивление усилителя

,

где R_вхд - входное сопротивление со стороны базы.

R_{вх. б} = (1+h_21э)*(r_э+R_э)

1.5.16 Расчёт разделительных конденсаторов

Принимаем вклады С₁ и С₂ в частотные искажения на частоте f_н равными:

M_нс1=М_нс2=М_нс=

округляем до стандартного значения С₁ = 2,7 мкФ

округляем до стандартного значения С₂ = 1,2 мкФ

1.5.17 Проверка усилителя на соответствие заданному значению коэффициента усиления по напряжению K_U

Используем для расчёта действительного коэффициента усиления точную формулу:



где R`_г - эквивалентное сопротивление входной цепи.

отклонение

Т.к. действительные и заданные значения К_u расходятся не более 10% расчёт считаем верным.

1.5.18 Проверка режима работы усилителя по постоянному току

U_к.п. =E_п - I_к.п. R_к

U_э.п. = I_к.п.*R_э

U_б.п. =U_эп + U_бэп

1.5.19 Проверка работоспособности схемы по условиям

U_к.п.> U_б.п. - обеспечивает активный режим работы;

обеспечивает класс А

U_к.п. =5,2 В > U_б.п. = 0,66 В - активный режим транзистора выполняется;

U_к.п.-U_б.п. = 5,2 - 0,66 > U_нм = 1,6 В;

I_к.п.R_к. = 3,24 *2,4 > U_нм =1,6 В - класс усиления А обеспечивается.

1.5.20 построение нагрузочных характеристик по постоянному и переменному току

ХХ: I_к=0 U_к.э. =E_п =13 B

КЗ: U_к.э.=0



Раздел 2. Расчет схемы на операционном усилителе

2.1 Исходные данные

Коэффициент усиления по напряжению для первого источника - К_u1 = 12

Динамический диапазон - D = 26 дБ

Максимальная рабочая температура - T_м = 30 С

Сопротивление эквивалентного генератора RG1 = 40 kОм

2.2 Схема инвертирующего усилителя постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Схема инвертирующего усилителя постоянного тока

2.3 Назначение элементов схемы

DA1 - операционный усилитель, является элементом, обеспечивающим усиление сигнала;

R₁ - задает входное сопротивление усилителя и коэффициент усиления по напряжению;

R2 - предназначен для компенсации ошибки ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ через резисторы, подключенные к инвертирующему входу;

R₃ - элемент цепи обратной отрицательной связи;

R_G1 , U_G1 - эквиваленты источников входных сигналов.

2.4 Принцип действия схемы

усилитель напряжение ток резистор

Инвертирующий усилитель представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной ООС по напряжению с помощью резистора R₃ и R₁.. Входной сигнал подается на инвертирующий вход. Напряжение обратной связи U_ос, снятое с нижнего плеча делителя R₃ - R₁ ,подается на входную цепь и вычитается из входного напряжения . И на выходе образуется выходной сигнал U_ВЫХ. Введение ООС позволяет сделать коэффициент усиления высокостабильным. Стабилизация коэффициента усиления позволяет улучшить частотную характеристику схемы (расширяется полоса пропускания усилителя). Поскольку на входе усилителя действует сигнал < U_ВХ , амплитудная (передаточная) характеристика имеет большую линейную область, чем амплитудная характеристика ОУ без обратной связи, то это означает, что входные сигналы большей амплитуды будут передаваться без искажения. Кроме того, последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя до сотен кОм и снижает выходное сопротивление до долей Ом.

2.5 Расчет схемы

2.5.1 Рассчитаем сопротивление R₁, кОм

Для обеспечения отсутствия влияния сопротивления генератора R_G на коэффициент усиления, сопротивление R₁ выбирается больше R_G в 5…10 раз

Принимаем полученное значение сопротивления R₁ = 400 kОм.

2.5.2 Рассчитаем значение сопротивления резистора обратной отрицательной связи R₃

Для неинвертирующего усилителя по коэффициенту усиления

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R₃ = 4300 Ом

2.5.3 Значение сопротивления компенсационного резистора R₂ принимаем равным значению R₁

2.5.5 Выберем операционный усилитель согласно следующих условий

max{R₁,, R₂,, R₃,} << R_{вх ОУ},,

R_{вых ОУ} << R₃ << R_{вх ОУ} ,

U_{см доп} < U_{?см ОУ}

Выбираем операционный усилитель К140УД14 со следующими параметрами операционного усилителя

Коэффициент усиления ;

Входное сопротивление R_вх = 30 МОм;

Разность входных токов ?I_вх = 0,2 нА;

Тепловая разность входных токов нА/К;

Напряжение смещения U_см =2 мВ;

Температурный дрейф напряжения смещения мкВ/К;

Напряжение питания U_пит = 15 В.

Условия пригодности ОУ по входному и выходному сопротивлению выполняются. Проверим условие по напряжению смещения.

2.5.6 Рассчитаем U_{см доп.} по эквивалентному коэффициенту усиления K_{U экв}

,

и заданному динамическому диапазону D:

,

где допустимое смещение на выходе усилителя находим следующим образом:

,

Принимаем K_U2 = 0, тогда .



2.5.7 Рассчитаем суммарное, приведенное ко входу, смещение ОУ по следующей формуле

,

- от разницы входных токов

- от температурного дрейфа разницы входных токов

,

где T₀ - температура при нормальных условиях T₀ = 25 С

- от температурного дрейфа напряжения смещения

,

- от напряжения смещения

Суммарное (приведённое ко входу) смещение операционного усилителя

, следовательно операционный усилитель выбран правильно.

2.6 Найдем максимально допустимую амплитуду напряжения источника сигнала



Раздел 3. Синтез логической схемы

3.1 Исходные данные

Булевой функцией F=F(X₁,…X_n) называется такая функция, у которой независимые X₁ … X_n переменные могут принимать значения 0 или 1 и сама функция F в зависимости от комбинации X₁ … X_n принимает значения 0 или 1.

Для частичного определенной функции некоторые переменные и сама функция на некоторых комбинациях переменных могут принимать неопределенные значения d, т.е. при синтезе логической схемы d можно доопределить произвольным образом до 0 или (для лучшей минимизации схемы).

Любая функция F=F(X₁ ,X₂ … X_n) имеющая область определения 2 ⁿ двоичных наборов, может быть заданна одним из трех способов, в нашем случае в виде таблицы истинности.

Логическая функция: Базис ИЛИ-НЕ

Стоимость схемы:

где n -число переменных куба;

r -размерность куба;

k -число кубов, при которых функция принимает значение логической единицы.

W=(5-2)+(5-1)+(5-0)+(5-2)+(5-1)+(5-1)+6=29

3.2 Расчет схемы

3.2.1 Представление булевой функции на карте Карно

Для функции F=F(X₁ ,X₂ …X_n) выбирается карта на n переменных. При этом функция F=F(X₁ ,X₂ …X_n) на некоторых покрытиях может принимать значения 1, на некоторых - неопределенное d, а на остальные 0. В соответствующих клетках Карно в этом случае представляется 1 или d , 0 обычно не ставится.

а) На картах Карно, там, где функция равна 1, нужно строить кубы максимальной размерности, так: чем выше размерность куба, тем меньше он стоит и тем больше число точек он покрывает.

б) Минимально возможное число кубов максимальной размерности должно покрывать все клетки карт Карно, где функция равна 1.

X1 X2 X3 X4 X5	000	010	110	100		101	111	011	001
00	1		1				1	1	1
01	1
11							1	1	1
10			1				1	1	1

3.2.2 Минимизация схемы

Эвристический алгоритм минимизации:

а) Построить максимальные кубы на клетках, где функция равна 1.

б) найти клетки, которые покрываются только одним кубом (обособленные клетки или вершины куба).

в) Включить в минимальное покрытие все кубы, покрывающие обособленные клетки.

г) удалить из рассмотрения покрытые клетки. Выбросить из рассмотрения кубы, которые покрывали что-то из выброшенных клеток, если клетки, покрываемые отбрасываемыми кубами, имеют покрытие в виде другого куба равной или большей размерности по сравнению с отбрасываемым кубом.

д) продолжить процесс поиска.

После минимизации функция имеет вид:

Её стоимость равна: W=(5-2)+(5-1)+(5-2)+(5-2)+(5-2)+5=21



Размещено на http://www.allbest.ru/

3.2.3 Факторизация покрытий

Минимизация по картам Карно дает минимальное покрытие и двухступенчатую схему. При этом в алгоритме не учитывается два фактора:

а) Возможна другая схемная реализация в виде многоступенчатой схемы, имеющая меньшую стоимость.

б) В алгоритме не учитывается коэффициент объединения по входу - максимальное число входов логического элемента, который в реальных схемах не может превышать некоторое конечное значение.

Преодоление этих затруднений производится с помощью алгоритма факторизации.

Порядок выполнения алгоритма:

а) Находятся м - произведения всех кубов из C(F). Это делается при помощи таблицы.

б) выбирается маскирующий куб C_м имеющий максимальную стоимость.

стоимость куба определяется по формуле:

W (C_м) = r_м

где r_м -общее число координат куба, не равных м

в) В таблице отмечаются кубы, отмаскированные выбранным маскирующим кубом.

г) Покрытие C(F) разбивается на три части. Вверху располагаются кубы, которые не покрываются маскирующим кубом. Затем записывается маскирующий куб. под ним записываются отмаскированные кубы с прочерками на тех координатах, которые не равны м в маскирующем кубе.

д) Отмаскированные кубы исключаются из рассмотрения. В дальнейшем они будут представлены в последующих шагах алгоритма своим маскирующим кубом и перемещаются во всех последующих записях вместе со своим маскирующим кубом. После исключения отмаскированных кубов алгоритм повторяется.

е) Алгоритм заканчивается, когда не останется неотмаскированных кубов, либо маскирующий куб максимальной стоимости будет состоять только из одних м (нулевая стоимость)

Проведем факторизацию минимизированной функции:



А)

	0 X 1 X 0	0 0 0 0 X	1 1 X X 0	X 1 1 1 X
0 X 1 X 0	-
0 0 0 0 X	0 м м м м	-
1 1 X X 0	м м м м 0	м м м м м	-
X 1 1 1 X	м м 1 м м	м м м м м	м 1 м м м	-
0 X 1 1 X	0 м 1 м м	0 м м м м	м м м м м	м м 11 м

Выбираем маскирующий куб: С₁=0 м 1 м м

Б)

	0 0 0 0 Х	1 1 X X 0	X 1 1 1 X
0 0 0 0 X	-
1 1 X X 0	м м м м м	-
X 1 1 1 X	м м м м м	м 1 м м м	-
0 м 1 м м	0 м м м м	м м м м м	м м 1 м м

С₂=0 м м м м



В)

	1 1 X X 0	X 1 1 1 X
1 1 X X 0	-
X 1 1 1 X	м 1 м м м	-
0 м м м м	м м м м м	м м м м м

С₃= м 1 м м м

Г)

	0 м м м м
0 м м м м	-
м 1 м м м	м м м м м

С₃= м м м м м



3.2.4 Схемная реализация факторизованного покрытия

а) Построение схемы удобно вести по факторизованному покрытию снизу вверх.

б) Любой куб, находящийся под маскирующим, реализуется в виде элемента «И», входы которого, соответствуют координатам куба, равным нулю или единице.

в) Элементы «И»,соответствующие отмаскированным кубам, объединяются элементом «ИЛИ».

г) Маскирующий куб соответствует элементу «И». Его входы образуются координатами маскирующего куба, равными нулю или единице, и выходом элемента «ИЛИ», объединяющего отмаскированные им кубы.

д) Маскирующий куб сам может объединяться с другими кубами элементом «ИЛИ». Если вместе с другими кубами он покрывается маскирующим кубом более высокого уровня.

3.2.5 Переход в универсальный базис

Как правило, системы элементов реализует не булев базис, а базис, удобный для схемной реализации. Основой для этих базисов являются базисы: И-НЕ и ИЛИ-НЕ(штрих Шеффера, стрелка Пирса).

Правило перехода из булева базиса И. ИЛИ, НЕ в универсальный базис И-НЕ.

а) Заменять все элементы булева базиса на элементы И-НЕ.

б) Все независимые входы, которые поступали на элементы типа ИЛИ, заменить на инверсные значения, а входы элементов типа И оставить без изменения.

в) Если выход снимался со схемы типа И, то на выходе установить инвектор; если со схемы типа ИЛИ то инвектор не ставить.



Заключение

Повышение производительности труда за счёт максимальной автоматизации производства на основе последних достижений в электронике и микропроцессорной технике. В связи с этим производят большую исследовательскую работу по созданию систем автоматизации на основе микропроцессоров и, так называемой, малой автоматики, с использованием цифровых электронных устройств в автономном режиме.



Литература

1. Арестов К.А Основы электроники и микропроцессорной техники. - М.: Колос, 2001

2. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: - М.: Высшая школа, 1982

3. Лабораторные работы по основам промышленной электроники: О. М. Князев и др. - М.: Высшая школа., 1989

Размещено на Allbest.ru

...