Проектирование инструментального усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи
Эскизный расчет усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи. Выбор функциональной схемы проектируемого устройства. Электрический расчет преобразователя питания. Моделирование настройки инструментального усилителя с подавителем помехи.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.11.2017 |
| Размер файла | 681,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http: //www. allbest. ru/
Размещено на http: //www. allbest. ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский государственный аэрокосмичекий университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»
Кафедра лазерных и биотехнических систем
Дисциплина «Аналоговая схемотехника лазерных систем»
Проектирование инструментального усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи
Выполнила: студентка 533 группы
Богомолова О.А.
Руководитель проекта: Акулов С. А.
Самара 2014
Задание на курсовой проект
1 Содержание задания:
1.1 Спроектировать инструментальный усилитель с подавителем синфазной помехи во входной цепи
1.2 Спроектировать преобразователь питания
1.3 Смоделировать процесс настройки проектируемого устройства на ЭВМ
1.4 Спроектировать печатную плату разработанного устройства
1.5 Оформить пояснительную зариску и графическую часть курсового проекта
2 Исходные данные для проетирования:
2.1 Нижняя частота полосы пропускания, , Гц…………..0.43
2.2 Верхняя частота полосы пропускания,, Гц…………...113
2.3 Допустимый коэффициент частотных искажений на низкой частоте, , дБ……….... 1
2.4 Допустимый коэффициент частотных искажений на верхней частоте, , дБ……….2.7
2.5 Сопротивление источника сигнала по каждому входу инструментального усилителя, , кОм.…10.7
2.6 Емкость соединительных кабелей (от источника сигнала), , пФ…….245
2.7 Сопротивление нагрузки, , кОм……...……..4
2.8 Амплитуда ЭДС полезного сигнала, ,мВ………….4
2.9 Частота полезного сигнала, , Гц………...1.8
2.10 Амплитуда ЭДС помехи, ,В……..2.5
2.11 Частота помехи, , Гц.50
2.12 Амплитуда полезного выходного напряжения, , В..4.7
2.13 Допустимый коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала при номинальной амплитуде, , %.............0.61
2.14 Питание устройства от двух батарей с номинальной ЭДС, , В……..1.5
2.15 Диапазон рабочих температур, , град. С………...20-30
3 Перечень и объем графических и текстовых документов
3.1 Перечень элементов
3.2 Печатная плата проетируемого устройства. Расположение элементов на плате проектируемого устройства
РЕФЕРАТ
Курсовой проект.
Пояснительная записка: 33 с., 9 рис., 5 табл., 8 источников.
УСИЛИТЕЛЬ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ, ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, МОЖДЕИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ НА ЭВМ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ПОДАВЛЕНИЕ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ.
Проведены выбор функциональной и принципиальной схем инструментального усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи. Выполнены эскизный и электрический расчеты усилителя и преобразователя питания в соответствии с заданными параметрами. Произведено моделирование настройки усилителя на ЭВМ. Разработана конструкция печатной платы.
СОДЕРЖАНИЕ
усилитель помеха преобразователь синфазный
- РЕФЕРАТ
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ С ПОДАВИТЕЛЕМ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ ВО ВХОДНОЙ ЦЕПИ
- 1.1 Выбор функциональной схемы проектируемого устройства
- 1.2 Распределение заданных параметров проектируемого устройства по отдельным преобразователям выбранной функциональной схемы
- 1.3 Выбор принципиальной схемы инструментального усилителя и подавителя синфазной помехи
- 2. РАСЧЕТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПИТАНИЯ
- 2.1 Эскизное проектирование преобразователя питания
- 2.2 Электрический расчет преобразователя питания
- 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ПОДАВИТЕЛЕМ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ ВО ВХОДНОЙ ЦЕПИ
- 3.1 Расчет по постоянному току
- 3.2 Расчет по переменному току
- 3.3 Построение графика АЧХ
- 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ПОДАВИТЕЛЕМ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПИТАНИЯ НА ЭВМ
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Аналоговые электронные устройства весьма разнообразны, однако среди них доминируют различные усилительные преобразователи. Усилители широко применяются в медицинской диагностической и лечебной аппаратуре. При этом, в медицинских приборах имеются существенные особенности построения и применения усилителей. Это связано с необходимостью выделять и усиливать весьма слабые сигналы на фоне очень больших помех.
В курсовом проекте производится проектирование современного инструментального усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи. Так же проектируется преобразователь питания и производится моделирование настройки спроектированного устройства на ЭВМ.
Завершается курсовой проект разработкой конструкции печатной платы спроектированного устройства.
1. ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ С ПОДАВИТЕЛЕМ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ ВО ВХОДНОЙ ЦЕПИ
Эскизный расчет усилителя включает в себя следующие этапы:
а) Выбор функциональной схемы проектируемого устройства. На этом этапе решается вопрос о том, как осуществить подавление синфазной помехи и что для этого (в общих чертах) требуется. Здесь же кратко рассматривается принцип действия системы подавления синфазной помехи.
б) Распределение заданных параметров проектируемого устройства по отдельным преобразователям выбранной функциональной схемы.
1.1 Выбор функциональной схемы проектируемого устройства
Функциональная схема - это идеализированное графическое изображение устройства, демонстрирующее связи между отдельными функциональными элементами, изображаемыми в виде прямоугольников. Функциональный элемент - часть устройства, выполняющая какую-либо конкретную функцию.
Осуществить подавление синфазной помехи можно различными способами. Наиболее удачным решением этой проблемы считается компенсация синфазной помехи во входной цепи с помощью управляемых источников тока. Компенсация производится подачей во входные цепи инструментального усилителя (ИУ) сигнала равного по модулю и противоположного по полярности сигналу помехи. Для такого варианта подавления помех требуется ИУ, у которого предусмотрен выход синфазного сигнала. Функциональная схема проектируемого устройства имеет вид, показанный на рисунке 1.
Рисунок 1 Функциональная схема проектируемого устройства
В соответствии со схемой, изображенной на рисунке 1, проектируемое устройство должно работать следующим образом. В точке «Б» источника входных сигналов (см. рисунок 1) действует сетевая помеха с частотой 50Гц синусоидальной формы и с большой амплитудой, как показано на рисунке 2. В точке «А» источника входных сигналов помеха складывается с полезным сигналом, имеющим малую амплитуду. Основная задача проектируемого устройства - это выделение слабого полезного сигнала из его смеси с большим сигналом помехи. В устройстве, функциональная схема которого показана на рисунке 1, указанная цель достигается подачей на оба входа ИУ компенсирующего сигнала близкого по амплитуде к сигналу помехи и противоположного ему по полярности (см. рисунок 2). В результате сложения сигналов помехи и компенсирующего на входах ИУ соотношение «сигнал / помеха» резко меняется в лучшую сторону: остаточная помеха на входах ИУ имеет амплитуду в 20…30 раз меньше, чем амплитуда помехи в источнике входного сигнала, а амплитуда полезного сигнала сохраняется прежней (см. рисунок 2).
Может показаться, что выделение полезного сигнала можно осуществить вычитанием UБ из UА, т.е. подавая UА и UБ на входы дифференциального усилителя. Однако, при этом (из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя) возникают нелинейные искажения полезного сигнала, что недопустимо для диагностических медицинских приборов. Поэтому перед вычитанием одного сигнала из другого, необходимо подавить в них сигналы помехи.
Рисунок 2 Временные диаграммы сигналов в проектируемом устройстве
Выбрав функциональную схему проектируемого устройства можно детализировать функциональные схемы инструментального усилителя и подавителя синфазной помехи.
Для того чтобы у ИУ существовал специальный выход синфазного сигнала необходимо, чтобы ИУ состоял из двух автономных частей (см. рисунок 3): входные усилители (№1, 2), обеспечивающие большие и одинаковые входные сопротивления, и дифференциальный усилитель (№3), подавляющий синфазную помеху.
Чтобы подавитель синфазной помехи выполнял свою задачу, необходимо в его составе (см. рисунок 3) иметь усилитель (№4) с коэффициентом усиления 20…30 и два управляемых источника тока. Источники тока необходимы для предотвращения шунтирования входных цепей ИУ.
Все перечисленные усилители (№1…4) должны быть охвачены глубокими отрицательными обратными связями для обеспечения:
а) малых нелинейных искажений;
б) стабильности коэффициентов усиления;
в) термостабильности усилителей в режиме покоя.
Т.о. можно считать выбор функциональной схемы проектируемого устройства завершенным.
Рисунок 3 Детализированная функциональная схема усилительной части проектируемого устройства
1.2 Распределение заданных параметров проектируемого устройства по отдельным преобразователям выбранной функциональной схемы
1.2.1 Распределение нелинейных искажений
Общий коэффициент нелинейных искажений приблизительно равен сумме коэффициентов нелинейных искажений последовательно включенных усилительных преобразователей. В выбранном варианте ИУ содержатся два последовательно соединенных усилительных преобразователя (усилители №1 и 2, а также усилитель №3). Для них будет справедливо следующее соотношение:
=0,61%
Т.к. нелинейные искажения первой части ИУ (усилители №1, 2) будут усиливаться во второй части ИУ, то примем такое распределение нелинейных искажений:
;
1.2.2 Распределение коэффициентов усиления
Общий коэффициент усиления:
С учетом нелинейности амплитудной характеристики усилителей и заданных нелинейных искажений, значения коэффициентов усиления отдельных частей ИУ следует определять по формулам:
Здесь: ЭДС источника двухполярного питания ОУ;
неиспользуемая часть напряжения питания;
амплитуда синфазной помехи.
Определим значения и . Допустим, используем ОУ общего применения. Для него типовое значение В. Тогда = 7,2 В.
Произведение существенно меньше требуемого значения . Последовательно уменьшая значение и вычисляя значение и , построим график зависимости от . График представлен на рисунке 4. Проведем горизонтальную линию на уровне (см. рисунок 4). Из точки пересечения линии и кривой зависимости от найдем значение допустимой амплитуды синфазной помехи = 0.11158В.
Рисунок 4 График для определения допустимого значения амплитуды синфазной помехи
Теперь подставим значение вместо в формулы (1) и определить те значения и , которые будем использовать в дальнейших расчетах.
1.2.3 Определение коэффициента ослабления синфазной помехи
Определим коэффициент ослабления синфазной помехи:
Этот коэффициент показывает во сколько раз необходимо уменьшить синфазную помеху на входах ИУ, чтобы обеспечить требуемый уровень нелинейных искажений полезного сигнала.
1.3 Выбор принципиальной схемы инструментального усилителя и подавителя синфазной помехи
В соответствии с функциональной схемой (рисунок 3) выбираем трехусилительную схему инструментального усилителя, ибо эта схема имеет вспомогательный выход синфазного напряжения. Электрическая схема проектируемого инструментального усилителя показана на рисунке 5. Здесь предусмотрено включение конденсаторов С1 и С2 в цепях отрицательной обратной связи (ООС) усилителей DA1 и DA2 для формирования верхнечастотного спада амплитудочастотной характеристики (АЧХ
Рисунок 5
Нагрузка подключается через разделительный конденсатор С3 предназначенный для формирования низкочастотного спада АЧХ. Во входных цепях DA1 и DA2 учтены паразитные емкости соединительных кабелей Скаб. Источники тока (для компенсации помехи) выполняются на каскадах с общим эмиттером и отрицательной обратной связью типа Z. Эти источники тока реализуются на транзисторах VT1, VT2 (источник тока №1) и VT3, VT4 (источник тока №2). Усилитель №4, показанный на рисунке 3, реализуется на транзисторах VT10, VT11 и транзисторах источников тока. Для термостабилизации транзисторных преобразователей предусмотрена термокомпенсация с помощью токовых зеркал на транзисторах VT5…VT9 и VT12.
Работа проектируемого усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи происходит следующим образом. Усилители DA1 и DA2 усиливают полезный сигнал в раз, а сигнал синфазной помехи передают с единичным коэффициентом передачи. Сопротивления резисторов R12 и R13 выбираются равными друг другу. Поэтому напряжение на эмиттерах VT10, VT11 пропорционально напряжению синфазной помехи. Транзисторы VT10, VT11 работают в схеме с общей базой и передают входной ток (пропорциональный напряжению синфазной помехи) без усиления на резисторы R7 и R8, где формируются усиленные напряжения, пропорциональные синфазной помехе. Напряжения с резисторов R7 и R8 управляют коллекторными токами транзисторов VT1…VT4. Удвоенные приращения коллекторных токов каждой пары VT1, VT2 и VT3, VT4 создают на сопротивлениях Rист компенсирующие падения напряжения, которые уменьшают амплитуду синфазной помехи на входах усилителей DA1 и DA2. Дифференциальный усилитель DA3 усиливает полезный сигнал с выходов DA1 и DA2 в раз и ослабляет остаточную синфазную помеху. В результате таких преобразований на резисторе нагрузки Rн формируется усиленный в заданное число раз полезный сигнал, а синфазная помеха на выходе DA3 пренебрежимо мала.
2. РАСЧЕТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПИТАНИЯ
2.1 Эскизное проектирование преобразователя питания
Выберем тип преобразователей, составим функциональную и принципиальную схемы преобразователя питания.
Т.к. заданная амплитуда выходного напряжения больше одного вольта, то обойтись без преобразователей повышающих и инвертирующих напряжение питания не удастся. Выбор варианта преобразования напряжения питания произвели по уровню требуемого напряжения (где ориентировочное значение получено в разделе 1.2) и потребляемой силы тока в инструментальном усилителе. Силу потребляемого тока (по цепи питания) ориентировочно (в эскизном расчете это допустимо) определили таким образом:
где 3mA (для ОУ общего применения);
1mA (ориентировочно);
Функциональная схема преобразователя питания показана на рисунке 6. Здесь кроме тех элементов, которые рассматривались ранее, имеется устройство контроля разряда батарей, которое должно сигнализировать оператору о том, что работа с данными батареями далее невозможна. Составление принципиальной схемы преобразователя питания начнем с выбора типа используемых МС (см. таблицу 1). Выбрав тип МС, ознакомимся с рекомендуемым вариантом подключения внешних (навесных) элементов и используем эти рекомендации в проектируемом устройстве. Принципиальная электрическая схема преобразователя питания показана на рисунке 7.
Рисунок 6 Функциональная схема преобразователя питания
Таблица 1 Параметры микросхемы источника питания
|
Тип МС |
Входное напряжение, В |
Выходное напряжение, В |
Сила выходного тока, mA |
КПД, % |
Наличие дополнительных элементов |
|
|
МАХ 660 |
1,5…5 |
или нестаб. |
100 |
88 |
конденсатор |
|
|
МАХ 681 |
2…6 |
без стабилиз. |
50 |
80…88 |
Нет |
Рисунок 7 Принципиальная электрическая схема преобразователя питания
2.2 Электрический расчет преобразователя питания
В схеме на рисунке 7 использованы нестабилизированные МС, действующие по принципу переноса зарядов. В МС DA1.7 предусмотрены внешние (навесные) конденсаторы C1.7 и C2.7, значения емкостей которых приводятся в рекомендациях по применению МС. Поэтому значения емкостей C1.7 и C2.7 рассчитывать не требуется. В МС DA2.7 конденсаторы расположены внутри МС и расчету не подлежат. Для такого преобразователя питания следует выполнить расчеты сил токов, времени непрерывной работы и элементов устройства контроля разряда батарей.
Устройство контроля разряда батарей, которое показано на рисунке 7, работает следующим образом. Если напряжение на выходе DA1 превышает уровень срабатывания устройства контроля, то светодиод не светится. По мере разряда батарей, напряжение на выходе DA1.7 уменьшается (т.к. DA1.7 не стабилизирует выходное напряжение). При этом уменьшаются силы токов через резистор R1.7 и базо-эмиттерный переход транзистора VT1.7. Когда напряжение на резисторе R2.7 станет равным 0,6В транзистор VT1.7 закроется, напряжение на его коллекторе увеличится и светодиод начнет светиться. Свечение светодиода сигнализирует оператору о необходимости замены батарей.
Если в качестве светодиода выбрать красный светодиод АЛ307К, имеющий достаточную яркость свечения при силе тока 5мА и падение напряжения 1,6В, то
Здесь Uвых. DA1.7 ном - номинальное значение выходного напряжения МС DA1.7. Для МС MAX660 Uвых. DA1.7 ном 6В.
Примечание: будем проектировать срабатывание устройства при разряде батарей до уровня 50% от исходного значения емкости.
Выберем транзистор VT1.7. по трем параметрам:
max Uk1.7 = Uвых DA1.7 ном 6В.
max Iк. средн. 1.7= (Uвых DA1.7 ном - Uост. VT1.7) / R3.7,
где Uост. VT1.7 = 0,5 В
max Iк. средн. 1.7= (6 - 0,16) / 520 Ом = 11,23 мА,
max Pк 1.7= max Iк. средн. 1.7 •Uост. VT1.7 = 11,23 мА•0,5 В = 5,769 мВт
Выбор транзистора оформим в виде таблицы 2.
Таблица 2 Выбор транзистора VT1.7
|
Расчетные параметры |
Значения расчетных параметров |
Допустимые значения парам. для выбр. транзистора |
Тип выбранного транзистора |
Параметры выбранного транзистора |
||||
|
Iк.о |
Ск |
Тmax |
||||||
|
max Uк |
6 В |
40 В |
КТ502В |
80...240 |
1 1мкА |
920пФ |
1100°С |
|
|
max Iк. сред |
0,01123 А |
0,15 А |
||||||
|
max Pк |
0,005769 Вт |
0,35Вт |
расч==
Определим значения сопротивлений R1.7 и R2.7:
Далее определим силы токов в преобразователе питания.
С каждого выхода МС DA2.7 потребляется ток Iпотр, значение которого определено ранее. Во входной цепи МС DA2.7
где Uвых.DA2.7.ном - номинальное выходное напряжение МС DA2.7. Для МС MAX681 Uвых.DA2.7.ном2•Uвых.DA1.7.ном ;
- коэффициент полезного действия МС DA2.7.
Uвых.DA2.7.ном2• 6 В = 12 В,
Таким образом,
Во входной цепи DA1.7 (т.е. в цепи батарей) протекает ток с силой
где (R1.7+R2.7)||R3.7 - эквивалентные сопротивление параллельного соединения (R1.7+R2.7) и R3.7.
Время непрерывной работы одного комплекта батарей до срабатывания устройства контроля можно определить следующим образом:
где Cбат. - емкость батарей.
Выберем батарею 343, справочные данные приведены в таблице 3.
Таблица 3 Емкость электрохимического источника тока (батареи).
|
Тип батареи |
Емкость батареи, АЧас |
Номинальное напряжение, В |
Сопротивление нагрузки, не менее, Ом |
Номинальная сила тока разряда, А |
|
|
343 |
0,7 |
1,55..0,85 |
20 |
0,06 |
Тогда .ч
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ПОДАВИТЕЛЕМ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ ВО ВХОДНОЙ ЦЕПИ
3.1 Расчет по постоянному току
3.1.1 Выбор типа ОУ
Выбор типа ОУ производится по следующим параметрам:
а) напряжение питания;
б) сила потребляемого тока
в) входное сопротивление;
г) смещение режима покоя относительно нуля и температурный дрейф;
д) коэффициент усиления (без обратной связи);
е) коэффициент ослабления синфазной составляющей (КОСС);
ж) допустимое сопротивление нагрузки;
з) стоимость.
Наиболее дешевыми являются самые массовые усилители общего применения.
Т. к. в проектируемом устройстве ОУ используется с глубокой отрицательной обратной связью (ООС), то коэффициент усиления, смещение режима покоя и температурный дрейф не имеют значения. Все ОУ общего применения имеют одинаковые значения минимального сопротивления нагрузки и диапазон напряжения питания. Поэтому, при выборе типа ОУ, сравним потребности проектируемого устройства с возможностями ОУ по параметрам:
а) сила потребляемого тока;
б) входное сопротивление
Потребляемый ток желательно минимизировать, т. к. питание производится от батареи. Выберем ОУ типа КР140УД7. Для принятия окончательного решения определим значение коэффициента передачи входной цепи:
Рассчитанное значение Kвхц превышает 0,7, усилитель можно считать подходящим.
Таблица 4 Параметры ОУ КР140УД7
|
Тип ОУ |
Кус, тыс |
Vсм, мВ |
Vсм/T, мкВ/С |
Iвх, нА |
Iвх, нА |
Eп, В |
А, В |
Iпотр, мА |
|
|
Кр140УД7 |
25…50 |
4..10 |
50..300 |
200..400 |
50..200 |
5..20 |
3..4,5 |
2,8..3,5 |
|
|
Rвх, МОМ |
Rвых, Ом |
min Rн, кОм |
КОСС, дБ |
Тип вх каскада |
Иностр аналог |
ТУ |
|||
|
0,4 |
200 |
2 |
70 |
Б/п |
MA741 |
бк0.347.004-ТУ5 |
3.1.2 Расчет подавителя синфазной помехи
Расчет усилительных преобразователей обычно ведут от выхода по входу. Поэтому расчет транзисторной части устройства, т. е. подавителя помех, следует начинать с транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4. Прежде всего необходимо выполнить условие
Rвых. VT1,VT2 >> Rист., где Rвых VT1,VT2=0,5*Rвых. VT1
Для выполнения этого неравенства составим уравнение:
20*Rист. =0.5*Fz.1*rкэ.1, где
I к.п.1 - сила тока покоя VT1;
Fz1 - глубина ООС типа Z в каскаде с VT1.
Учитывая, что глубина ООС должна быть достаточно большой, примем Fz.120.
Тогда
Значение Iк.п.1 получилось более 1 мА, это означает что условие Rвых. VT1,VT2 >> Rист. легко выполняется и при силах тока Iк.п.1> 1 мА. Чтобы не пересчитывать преобразователь питания, выберем силу тока Iк.п.1 = 1 мА. Для этого уменьшим Fz1 :
Iк.п.1= Iк.п.2= Iк.п.3= Iк.п.4.
Определим значение сопротивлений R1= R2= R3= R4:
,
где S1 - крутизна коллекторного тока VT1,
т - термопотенциал p-n перехода; т 25мВ.
Поскольку уточненное значение Fz1=6,087<10, определим уточненное значение выходного сопротивления транзисторов VT1 - VT4:
должно удовлетворять условию . В данном случае условие выполняется: ?
Обозначим U1 напряжение покоя между базой VT1 и шиной +Еп.
Тогда U1=Iк.п.1*R1+Uбэ.1, где Uбэ.1=0,6 В.
Отметим, что значение U1 справедливо и для VT2..VT5, VT8, VT9, VT12.
Выбор транзисторов VT1..VT4 произведем с помощью следующих величин:
max Uкэ.1 = Eп - Iк.п.1 • R1 = = 6.725 В;
max Iк.сред.1 = Iк.п.1 = 6,542 мА;
max Pк.1 = Iк.п.1 • (Eп - Iк.п.1 • R1) = 0.044 мВт.
При выборе типа транзистора VT1..VT4 следует учитывать:
А) Обязательно обеспечить комплементарность пар транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4.
Б) Желательно иметь наибольший коэффициент усиления по току ().
В) Желательно обойтись без составных транзисторов.
Г) Желательно, чтобы транзисторы VT1, VT3, VT5, VT9 входили в одну микросборку, а транзисторы VT2, VT4, VT8, VT12 - в другую (комплементарную к первой).
Таблица 5 Параметры комплементарных транзисторных микросборок (без детализации по буквам)
|
Тип |
Кол-во транзисторов |
fт, МГц |
Cк, пф |
Uк.э., В |
Pк, мВт |
Iк, мА |
Iк.о., мкА |
||
|
198НТ3 (n-p-n) |
4 |
20..250 |
150 |
5 |
15 |
80 |
30 |
0,1 |
|
|
198НТ7 (p-n-p) |
4 |
20..300 |
150 |
5 |
20 |
80 |
30 |
0,5 |
Т.к. в схеме подавителя синфазной помехи используется принцип управления «по свидетелю», то транзистор VT5 следует выбрать такого же типа, как и VT1, VT2. Аналогично тип VT8 совпадет с типом VT2, VT4. При этом:
Iк.п.5= Iк.п.8= Iк.п.1; R5=R6=R1
Для повышения термостабильности транзисторных преобразователей будем проектировать токовые зеркала на VT5, VT9 и VT8, VT12 в прямом варианте, т.е. принимаем R7=R8=R1. транзисторы VT6 и VT10 выбираем с помощью тех же величин, которые использовались при выборе VT1. при этом желательно, чтобы VT6 и VT10 входили в одну микросборку. Транзисторы VT8 и VT12 выбираются как комплементарные к VT6, VT10.
На этом расчет по постоянному току закончен.
3.2 Расчет по переменному току
Здесь вначале делаем расчет для средних частот. Затем расчет для низких частот. И заканчиваем этот раздел расчетом для верхних частот.
3.2.1 Расчет для средних частот
Для ОУ произведем расчет резисторов, обеспечивающий те значения коэффициентов усиления, которые были получены в эскизном проектировании.
Значение сопротивления резисторов R9 и R11 определим из условия пренебрежения входными токами ОУ:
, =200нА (см. табл.4)
Сопротивление резистора R10 определяем из условия задания требуемого коэффициента усиления (K1.2):
Сопротивления резисторов R16 и R17 определим по тому же критерию, что и сопротивления резисторов R9 и R11:
Сопротивления резисторов R14 и R15 определим из условия задания требуемого коэффициента усиления (К3):
Сопротивления резисторов R12 и R13 определим из двух условий:
А) Обеспечение требуемого коэффициента ослабления синфазной помехи (Косл.синф.пом), значение которого получено в эскизном расчете. Из этого условия
Б) Отсутствие перегрузки ОУ DA1 и DA2 по выходу. Из этого условия
Из справочных данных: . Но так как для ОУ ток
и напряжение
допустимы, то и условие перегрузки ОУ по выходу запишется в следующем виде:
=
Таким образом, условие выполняется.
Заканчивая расчет для средних частот необходимо определить КПД проектируемого устройства. Для этого нужно вычислить мощность потерь:
где пп -
КПД преобразователя питания=DA1.7*ппDA2.7 =0.738,
Iпотр.DA1= Iпотр.DA2= Iпотр.DA3= (см. табл.4)
Результирующий КПД проектируемого устройства:
На этом расчет средних частот закончен.
3.2.2 Расчет для низких частот
Частотные свойства проектируемого устройства в области низких частот определяются разделительным конденсатором С3. Его емкость найдем следующим образом:
,
где Мн зад выразим в абсолютных единицах:
Мабс =10 0.05 Mдб = 10 0.05•1.5дБ =1,189,
где Мдб - значение коэффициента частотных искажений, выраженное в децибелах.
На этом расчет для низких частот закончен.
3.2.3 Расчет для верхних частот
Т. к. верхняя частота заданного диапазона частот сравнительно невелика (не более 300гц), то частотные свойства проектируемого устройств в области верхних частот определяется, в основном, конденсаторами С1 и С2. Емкость этих конденсаторов следует выбрать в соответствии с формулой
Здесь Мв.зад. выразим в абсолютных единицах:
Мабс =10 0.05Mдб = 10 0.05•2.3дБ =1,303
Кроме того, в области верхних частот следует проверить влияние паразитных емкостей кабелей Скаб. Для них
Так как fверх.к 2fвх.зад , то влиянием емкостей кабелей можно пренебречь.
На этом расчет для верхних частот закончен.
3.3 Построение графика АЧХ
Вначале строим асимптотическую логарифмическую АЧХ (ЛАЧХ), а затем строим график расчетной ЛАЧХ.
3.3.1 Построение асимптотической логарифмической АЧХ
20lg|Кзад| = 62,239 для средних частот
вблизи частоты
3.3.2 Построение расчетной ЛАЧХ
Рисунок 8 График расчетной ЛАЧХ
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ПОДАВИТЕЛЕМ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПИТАНИЯ НА ЭВМ
4.1 Моделирование преобразователя питания
При моделировании преобразователя питания можно представить его в виде эквивалентной схемы замещения, как показано на рисунке 9.
Рисунок 9 Эквивалентная схема замещения преобразователя питания
Здесь Евн=Uвых.ном.= ±12В,
где Uвых.ном - номинальное значение выходного напряжения данного преобразователя. Значение внутреннего сопротивления используемого преобразователя определим с помощью формулы:
Где - коэффициент полезного действия данного преобразователя;
Uвх , Iвх - соответственно, номинальные значения входных напряжения и силы тока данного преобразователя; Iвых - сила номинального выходного тока данного преобразователя. Так как получилось очень маленьким, то для данного моделирования им можно пренебречь.
4.2 Моделирование настройки инструментального усилителя при отключенном подавителе синфазной помехи
Здесь коллекторы транзисторов VT1…VT4 должны быть отключены от входов ИУ.
4.2.1 Моделирование для постоянного тока
Вначале зададим Eполезн =0 и Eпомех=0. Для постоянных токов выходные напряжения всех ОУ близки к нулевым значениям. Отклонения не превышают 5% от значения Eп. В этом нетрудно убедиться, взглянув на распечатки графиков в приложении Б.
В приложении Б (Б1) представлены статические характеристики фрагментов проектируемого устройства при отключенном подавителе синфазных помех. Они получены при изменения Eполезн от минус Eполезн.зад до плюс Eполезн.зад при Eпомех=0.
4.2.2 Моделирование для переменного тока
Зададим синусоидальное напряжение помехи с амплитудой 2,5 В и частотой 50 Гц, а Eполезн=0.
При этом на выходах DA1 и DA2 существуют синусоидальные напряжения помехи с заданной амплитудой. На выходе DA3 напряжение помехи мало. На коллекторах транзисторов VT1..VT4 наблюдается переменное напряжение помехи, но ограниченное напряжением питания. В приложении Б (Б2) приведены распечатки графиков.
Далее зададим синусоидальное полезное напряжение с амплитудой 4 мВ и частотой. В этом случае на выходе DA3 должно существовать синусоидальное напряжение с частотой полезного сигнала и заданной амплитудой Uвых.м.зад.= 4,6 В (приложение Б (Б3)).
4.3 Моделирование с подключенным подавителем синфазной помехи
Теперь подключим коллекторы транзисторов VT1..VT4 к соответствующим входам ИУ. Подадим на вход синусоидальное полезное напряжение с амплитудой 4 мВ и частотой, на выходе DA3 имеем синусоидальное напряжение с частотой полезного сигнала и заданной амплитудой Uвых.м.зад.= 2,5 В. Но на входах DA1 и DA2 амплитуда напряжения помехи уменьшилась, (приложение Б (Б5)).
В приложении приведена АЧХ спроектированного инструментального усилителя с подавителем синфазной помехи (приложение Б (Б4)). Он практически идентичен расчетному.
В приложении приведены графики зависимости коэффициента нелинейных искажений от амплитуды полезного сигнала при отключенном и подключенном подавителе синфазной помехи. При подключенном подавителе синфазной помехи коэффициент нелинейных искажений заметно ниже и не превышает заданного значения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проделанной работы спроектированы инструментальный усилитель с подавителем синфазной помехи во входной цепи и преобразователь питания, которые удовлетворяют требованиям задания.
Электрический расчет позволил получить параметры элементов, значения которых были скорректированы в процессе моделирования настройки на ЭВМ, не более чем на 10%.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985, стр. 388...404, 461...473.
2. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементарная база. Кн. 1,2 / М.Ю. Масленников и др. М. : Энергоатомиздат, 1993
3. Энциклопедия ремонта. Выпуск 11 : Микросхемы для современных импульсных источников питания - М. : ДОДЭКА, 1999.
4. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2. - М. : Солон-Р, 2001.
5. Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Обзор. - М.: ДОДЭКА, 1994.
6. Алейников Л.В. и др. Конструирование радиоэлектронных средств. Метод. указания к курсовому проектированию. / Самарский государственный аэрокосмический университет. - Самара, 1999.
7. Портала О.Н. Радиокомпоненты и материалы : Справочник. - К.: Радiоаматор, М.: КубК-а, 1998.
8. Транзисторы для аппаратуры широкого потребления: Справочник. Под редакцией Б. Л. Перельмана. - М: Радио и связь, 1882г.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Эскизный расчет структурной схемы радиоприемного устройства. Расчет входной цепи, преобразователя частоты, гетеродина и блока питания радиоприемного устройства. Описание конструкции печатного узла. Алгоритм поиска неисправности усилителя радиочастоты.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 13.10.2017Основные составляющие схемы однополупериодного выпрямителя. Сбор схемы двухполупериодного трансформаторного выпрямителя со средней точкой. Исследование схемы транзисторного усилителя с эмиттерным резистором. Моделирование подавления синфазной помехи.
курсовая работа [766,9 K], добавлен 18.01.2014Выбор структурной схемы приемника. Составление его принципиальной электрической схемы, расчет входной цепи, усилителя радиочастоты, преобразователя частоты, детектора. Выбор схемы автоматической регулировки усиления и числа регулируемых каскадов.
курсовая работа [171,5 K], добавлен 21.10.2013Расчет варианта усилителя на транзисторах. Расчёт регулировки усиления, фильтров питания, цепей регулировки усиления, разделительной ёмкости во входной цепи. Предварительный расчет усилителя. Выбор оптимального варианта. Анализ варианта усилителя на ИМС.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 24.09.2010Проектирование многокаскадного усилителя. Выбор режима работы выходного каскада по постоянному и переменному току. Разработка и расчет электрической схемы усилителя импульсных сигналов. Расчёт входного сопротивления и входной ёмкости входного каскада.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 25.03.2012Обзор литературы по усилителям мощности. Описание электрической схемы проектируемого устройства - усилителя переменного тока. Разработка схемы вторичного источника питания. Выбор и расчет элементов схемы электронного устройства и источника питания.
реферат [491,0 K], добавлен 28.12.2014Разработка и расчет схемы двухтактного усилителя мощности с заданными параметрами. Расчет оконечного, промежуточного и входного каскада. Выбор цепи стабилизации тока покоя. Результирующие характеристики усилителя. Требования к мощности источника питания.
курсовая работа [617,9 K], добавлен 16.10.2011Основные понятия и определения важнейших компонентов усилителя. Проектирование и расчет усилителя низкой частоты (УНЧ) с заданными параметрами. Выбор и обоснование принципиальной электрической схемы выходного каскада, изучение его основных свойств.
курсовая работа [864,0 K], добавлен 13.01.2014Требования к сопротивлению усилителя. Определение режима транзистора. Цепи питания и термостабилизация. Параметры эквивалентной схемы. Промежуточный каскад усиления. Параметры усилителя в области малых времен. Расчет запаса устойчивости усилителя.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 09.03.2015Структурная и принципиальная схемы усилителя для фоторезистора. Проектирование входного устройства. Расчет масштабирующего усилителя, блока регулировки, усилителя мощности. Разработка фильтра нижних частот, режекторного фильтра, источника питания.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 10.12.2015Выбор и расчет блока питания всей схемы. Назначение усилительного устройства и его структура. Выбор и расчет параметров усилителя напряжения, параметров активного фильтра и усилителя мощности. Входное сопротивление усилителя. Параметры активного фильтра.
контрольная работа [125,9 K], добавлен 05.08.2011Изучение структурной схемы радиоприемника. Расчет телескопической антенны, показателей радиоприемного тракта, одноконтурной входной цепи с трансформаторной связью. Определение входного сопротивления усилителя. Выбор промежуточной частоты и микросхем.
курсовая работа [101,0 K], добавлен 30.10.2013Параметры избирательного усилителя. Выбор функциональной схемы устройства. Расчет основных узлов. Схема неинвертирующего усилителя. Оптимальный коэффициент усиления полосового фильтра. Номиналы конденсаторов и резисторов. Частотные характеристики фильтра.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 14.07.2013Проектирование измерительного усилителя, его входной и выходной части. Расчет логического блока данного прибора. Расчет делителя напряжения. Использование электронного аналогового ключа. Проектирование цифрового частотомера. Разработка блока питания.
курсовая работа [490,4 K], добавлен 17.06.2011Особенности разработки малосигнального усилителя низкой частоты. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя. Разработка комбинационно-логического устройства (КЛУ). Характеристики и тестирование источника питания на УНЧ.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 07.10.2015Разработка и обоснование функциональной схемы устройства. Определение предварительного усилителя, цепи смещения и термостабильности. Исследование стабильности выходного каскада и самовозбуждения транзисторов. Расчет оконечного и предварительного каскада.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 13.10.2021Выбор операционного усилителя, расчет его основных параметров для входного и выходного каскада. Вычисление каскадов усилителя, смещения нуля, коэффициента гармоник и частотных искажений. Моделирование усилителя с помощью Electronics Workbench 5.12.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 04.10.2014Диапазон принимаемых частот, воспроизводимых частот радиоприемника. Избирательная система тракта сигнальной частоты. Расчет входной цепи с ферритовой антенной, усилителя радиочастоты, усилителя промежуточной частоты. Коэффициент устойчивого усиления.
курсовая работа [146,5 K], добавлен 06.12.2013Выбор структурной схемы усилителя, расчет усилительного каскада. Проектирование промежуточной и выходной части устройства. Определение погрешности коэффициента преобразования. Проектирование логического блока, питания и электронно-счетного частотомера.
курсовая работа [668,9 K], добавлен 30.12.2014Составление и расчет электрической схемы, выбор радиодеталей и составление перечня их. Выбор и обоснование структурной схемы усилителя. Расчет оконечного каскада усилителя. Построение результирующей амплитудной и фазовой характеристик усилителя.
курсовая работа [467,3 K], добавлен 11.07.2012
