Проектирование и анализ усилителя-корректора

Размещено на http://www.allbest.ru/

КАФЕДРА «РиБС»(радиотехника)

Курсовая работа

по дисциплине «Основы автоматизированного проектирования»

на тему: «Проектирование и анализ усилителя-корректора»

Махачкала 2024

Аннотация

Целью данной курсовой работы является моделирование схемы усилителя-корректора и его анализ в программе САПР (Средства автоматизированного проектирования)

В курсовой работе рассмотрены:

- Применение САПР в создании электронной аппаратуры

- Принцип работы схемы

- Схема электрическая принципиальная устройства

- Разработка печатной платы

- Графический материал

Данная курсовая работа содержит 25 страниц теоретического и практического материала.



Содержание

Введение

1. Анализ технический требований

1.1 Усилители электрических сигналов

1.2 Неинвертирующий операционный усилитель

1.3 Повторитель

1.4 Инвертирующий усилитель

1.5 Усилитель-корректор

2. Конструкторское проектирование

2.1 Проектирование схемы в Multisim

2.2 Проектирование печатной платы

3. Конструкторские расчёты

3.1 Проведение анализа по переменному току

3.2 Временной анализ

3.3 Анализ шумов

3.4 Анализ Фурье

3.5 Статистический Анализ

Заключение

Список литературы



Введение

Одним из ключевых достижений в области вычислительной техники стало изобретение электронных вычислительных машин (ЭВМ). Эти машины не только позволяют выполнять сложные расчеты, но и дают возможность управлять вычислительными процессами и данными с помощью программ, написанных на специализированных языках программирования.

С повышением производительности электронных вычислительных машин (увеличением их быстродействия и объема оперативной памяти), а также с расширением периферийных устройств (включая устройства для ввода и вывода данных, а также накопители информации), и активным развитием операционных систем - роль ЭВМ в инженерной сфере значительно изменилась. От выполнения отдельных расчетов стали переходить к реализации целых стадий проектного процесса, результатом чего стало появление системы автоматизированного проектирования (САПР).

Основной функцией систем автоматизированного проектирования (САПР) является увеличение эффективности работы инженеров. Это достигается путем сокращения трудозатрат и времени на проектирование, улучшения качества проектных решений и документации. САПР также помогает минимизировать потребность в физическом моделировании и тестировании опытных образцов, а также снижает затраты на подготовку производства. Существуют различные типы САПР, предназначенные для моделирования и анализа электронных схем, такие как «Microcap», «Proteus» «Electronic Workbench», «NI Multisim»

Данные программы позволяют проводить:

- Моделирование и анализ цифровых устройств: позволяет моделировать и анализировать работу аппаратной части цифровых устройств, а также программного обеспечения, которое управляет этой аппаратурой. Такой подход обеспечивает комплексное и всестороннее моделирование.

-Моделирование аналоговых устройств: Позволяет моделировать аналоговые устройства и проводить анализ их работы. Это помогает оценить параметры схемы без необходимости создания ее физического макета. В настоящее время существует несколько видов моделирования аналоговых устройств, такие как: электрический сигнал печатный плата

-Анализ схемы по постоянному и переменному току

-Анализ переходных процессов и передаточной функции

-Анализ шумов и устойчивости

-Температурный анализ при изменении рабочей температуры

-Статистический анализ. Который показывает влияние изменения параметров электронных элементов (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, функциональные источники и др.)

Размещение электронных компонентов и соединительных элементов на печатной плате представляет собой сложную задачу, в ходе решения которой необходимо искать компромиссы по следующим ключевым параметрам:

-Компоненты должны быть расположены в соответствии с правилами и на минимально возможном расстоянии друг от друга.

-Необходимо минимизировать общую длину соединений, учитывая требования к быстродействию и защите от помех.

-Нужно обеспечить равномерное распределение плотности соединений на плате.

-Следует учитывать тепловое рассеяние и электромагнитное излучение от электронных компонентов.

Примерами таких САПР для трассировки печатных плат являются «SprintLayout», «Eagle», «NI ultiboard».

1. Анализ технический требований

В данной курсовой работе необходимо спроектировать схему усилителя-корректора данной в техническом задании (Рис. 1.5.1) и провести различные виды анализов: Анализ по переменному току; Временной анализ; Анализ шумов; Анализ Фурье; Статистический анализ.

Технические характеристики усилителя-корректора следующие:

- Коэффициент усиления 40дБ

- Номинальное входное напряжение: 2,5 мВ

- Входное сопротивление 47 кОм

- Напряжение питания ±15В (двух полярное питание)

- Потребляемый ток

- Рабочая температура +10...+35

1.1 Усилители электрических сигналов

Усилитель - это устройство, которое увеличивает ток, напряжение или мощность входящего электрического колебания путем преобразования электрической энергии питания в выходную энергию. Он делает это, следуя закону, который определяется управляющим входом. Это возможно благодаря применению управляемых нелинейных элементов, таких как биполярные или полевые транзисторы. Транзистор действует как управляемое сопротивление, подключенное к цепи источнику напряжения и нагрузки, тем самым помогает преобразовывать энергию источника питания в полезную выходную мощность.

Структурная схема простого усилителя показана на (Рис. 1.1.1)



Рис.1.1.1 Блок схема усилителя

Операционный усилитель (ОУ), представляет собой усилитель постоянного тока, который имеет дифференциальный вход и в основном единственный выход. ОУ имеет высокий коэффициент усиления и часто применяется в схемах, включающих глубокую отрицательную обратную связь (ООС). Эта обратная связь, в сумме с высоким коэффициентом усиления, отражает коэффициент усиления и передачи схемы.

Сегодня ОУ широко производятся в виде микросхем. Их популярность связана с тем, что они являются универсальными электронными элементами с характеристиками, которые приближаются к идеальным. Это позволяет создавать на их основе большое количество разнообразных электронных устройств. Рассмотрим различные схемы включения ОУ.

1.2 Неинвертирующий операционный усилитель

Неинвертирующий усилитель - самая часто применяемая схема включения операционного усилителя, данная схема показана на (Рис. 1.2.1)



Рис. 1.2.1 схема включения неинвертирующего ОУ

В данной схеме сигнал который необходимо усилить, подключается на неинвертирующий вход ОУ, а сигнал с выхода ОУ проходя через делитель напряжения приходит на инвертирующий вход.

Расчет данной схемы производится исходя из того, что операционный усилитель, который охвачен петлей обратной связи, работает так, чтобы напряжение на инвертирующем входе сравнялось по напряжению на неинвертирующем входе.

Коэффициент усиления для данной схемы вычисляется по формуле:



1.3 Повторитель

Рис. 1.3.1 ОУ по схеме повторителя

ОУ, включенный по схеме повторителя. В этом режиме один из резисторов обладает нулевым сопротивлением. Схему повторителя показана на (Рис. 1.3.1)

Из рассмотренной формулы коэффициента усиления следует, что коэффициент передачи ОУ в схеме повторителя равен одному. Это означает, что выходной сигнал полностью повторяет входной сигнал.

Предположим, у нас есть источник сигнала с высоким выходным сопротивлением, нам необходимо передать данный сигнал на низкоомную нагрузку без искажений. Если это сделать без ОУ, т.е. напрямую, то неизбежно возникнут потери сигнала. Включение операционного усилителя в качестве буфера между источником сигнала и нагрузкой позволяет избежать этих потерь.



1.4 Инвертирующий усилитель

Рис. 1.4.1 ОУ в схеме инвертирующего усилителя

Для инвертирующего усилителя характерны следующие характеристики:

-Инвертирующий усилитель меняет (инвертирует) входной сигнал, поэтому для его работы требуется двухполярное питание.

-Абсолютное значение коэффициента усиления инвертирующего усилителя равно отношению сопротивления резисторов в цепи обратной связи. Если сопротивления обоих резисторов равны, усиление будет равно -1, и инвертирующий усилитель будет просто инвертировать сигнал.

-Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению R1. Это важно, поскольку при низких значениях R1 предыдущий каскад может сильно нагружать.

1.5 Усилитель-корректор

В настоящее время виниловые диски продолжают пользоваться популярностью в определённых кругах. Качество звучания виниловых дисков в большой степени зависит от технических показателей предварительного тракта воспроизведения.

При подключении винилового проигрывателя к обычному усилителю со стандартной чувствительностью и линейной АЧХ не достичь качественного звучания. Для достижения качественного звучания необходимо подключить к выходу звукоснимателя предусилитель-корректор, который не только повысит уровень выходного сигнала до стандартного уровня (250-500 мВ), но и скорректирует АЧХ звукового тракта соответственно стандартам звукозаписи.

Принципиальная схема корректора, построенного на ОУ К153УД2, приведена на (рис. 1.5.1).

Рис.1.5.1 Принципиальная схема усилителя-корректора

Микросхема включена по схеме неинвертирующего усилителя с корректирующей цепочкой R12, R14, C5 в цепи ООС (Отрицательная обратная связь). Резистор R11 определяет коэффициент передачи корректора и позволяет при необходимости устанавливать необходимое усиление узла. При использовании деталей с номиналами, указанными на схеме, усиление корректора на частоте 1 кГц составляет 40 дБ. Входное сопротивление усилителя определяется практически резистором R1.

Конденсатор С4, через который поступает сигнал на вход микросхемы DA1, вместе с резистором R10 образует фильтр нижних частот, ослабляющий нежелательные сигналы сверхнизкой частоты, создаваемые механическими движущимися частями проигрывателя.

Перед подключением корректора к источнику питания (двухполярный стабилизированный с выходным напряжением ±15 В), необходимо проверить исправность элементов и правильность монтажа. При этих условиях узел практически не требует настройки. При необходимости подбирая сопротивление резистора R11, можно регулировать коэффициент передачи усилителя на частоте 1000 Гц. [3]

Кроме ОУ К153УД2 можно применить полный аналог LM101H, а также микросхемы из этой серии с их зарубежными аналогами К153УД1 (LM 1709L), К153УДЗ (mA709H), К140УД6 (LM301A), К140УД7 (LM741H), К140УД8 (mA740H) без переделки печатной платы. (Печатная плата на (Рис.2.2.1, 2.2.2)).



2. Конструкторское проектирование

Для моделирования схемы усилителя-корректора и проведения анализа я выбрал программу Multisim версии 10.1, потому что она имеет интуитивный интерфейс, позволяет проводить множество анализов, не требует больших вычислительных ресурсов компьютера.

2.1 Проектирование схемы в Multisim

После вызова программы Multisim на экран выводится окно редактора схем.

Схемы создаются и редактируются с помощью набора команд, сгруппированных в системе ниспадающих меню. На (Рис. 2.1.1) показано окно программы Multisim 10.1

Рис.2.1.1 Окно программы Multisim 10.1

Окно программы (рис. 2.1.1) содержит шкалу меню (вторая строка окна): Файл, Редактор, Вид, Вставить, Микроконтроллеры, Моделирование, Трансляция, инструментарий, Информация, Установки, Окно, Справка.

Далее описаны основные из них. Меню Моделирование содержит команды:

Пуск - запуск моделирования

Пауза - временный останов моделирования

Приборы - список контрольно-измерительных приборов (линейка этих приборов расположена слева в окне),

Вид анализа - список команд моделирования.



Рис.2.1.2 Окно моделирования

Третья строка окна содержит:

-11 кнопок общесистемного характера (System);

-две кнопки, с помощью которых можно увеличить или уменьшить масштаб изображения (Zoom);

-девять специальных кнопок, дублирующих наиболее часто используемые команды (Design);

-кнопку пауза временно приостанавливающую процесс моделирования;

-переключатель 0/1 запускающий и останавливающий процесс моделирования.

В четвёртой строке панель библиотек компонентов которая содержит:

-Источники

-пассивные компоненты и коммутационные устройства

-диоды

-транзисторы

-аналоговые микросхемы

-цифровые микросхемы TTL

-одиночные цифровые схемы, АЛУ, регистры, счетчики,мультиплексоры, дешифраторы и т.п.

-индикаторные устройства

-аналоговые вычислительные устройства (Controls);

-радиочастотные компоненты (RF);

На правой боковой панели расположились контрольно-измерительные приборы:

-цифровой мультиметр

-осциллограф

-измеритель АЧХ и ФЧХ

-генератор слова

-логический анализатор

-измеритель нелинейных искажений в диапазоне частот от 20 до 200 кГц

-спектральный анализатор

После изучения теории производится построение схемы усилителя-корректора (Рис.2.1.3)

Рис. 2.1.3 Принципиальная схема усилителя-корректора в САПР Multisim

Поскольку в программе нет всех библиотек аналоговых и цифровых элементов, находим их полные аналоги, которые обладают идентичными параметрами.

Так были заменены следующие элементы в схеме на аналогичные по характеристикам:

Операционный усилитель 153УД2 заменён на LM101H

Транзистор VT1 КПС104Г заменён на 2N5452

Транзисторы VT2, VT4 КТ3107А заменены на MPS3703

Транзистор VT3 КТ3102А заменён на MPS3707

Транзистор VT5 КТ502Д заменён на BC327

Транзистор КТ503Д VT6 заменён на BC337

Импульсные диоды D1-D3 КД503А заменены на 1N4148

2.2 Проектирование печатной платы

Печатная плата служит для механического закрепления ЭРЭ и разъёмов устройства и для электрических соединений между ними. Разработка печатной платы выполнена при использовании программы SprintLayout.

1) Тип конструкции :

односторонняя (ОПП)

Класс точности - 2

Группа жёсткости - 1

Шаг координатной сетки - 2,5 мм

2) Материал основания ПП

Фольгированный стеклотекстолит СФ-1Н-50Г

3) Габаритные размеры ПП:

Площадь радиоэлементов:

Конденсаторы

С1 Конденсатор керамический дисковый 400 пФ х 50В,+/-10%площадь 10мм2 , установочная площадь 15мм2

С2, С6 Конденсатор керамический дисковый 47 пФ х 50В,+/-10%площадь 10мм2 , установочная площадь 15мм2

С3 Конденсатор керамический дисковый 47 нФ х 50В,+/-10%площадь 10мм2 , установочная площадь 15мм2

С4 Конденсатор керамический дисковый 220 нФ х 50В,+/-10%площадь 10мм2 , установочная площадь 15мм2

С5 Конденсатор керамический дисковый 33 нФ х 50В,+/-10%площадь 10мм2 , установочная площадь 15мм2

С7, С8 Конденсатор керамический дисковый 10 нФ х 50В,+/-10%площадь 10мм2 , установочная площадь 15мм2

Значения емкости конденсаторов выбраны стандартными значениями ( ак С3 - 47нф, вместо 50нф; С4-220нф, вместо 210)

Резисторы

- R1 С1-4-0.125Вт 47 кОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R2 С1-4-0.125Вт 16 кОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R3 С1-4-0.125Вт 18 кОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R4, R5, R13 С1-4-0.125Вт 100 Ом 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R6 С1-4-0.125Вт 6,8 кОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R7, R8 С1-4-0.125Вт 62 Ом 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R9, R12 С1-4-0.125Вт 18 кОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R10 С1-4-0.125Вт 10 кОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R11 С1-4-0.125Вт 550 Ом 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R14 С1-4-0.125Вт 1 мОм 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

- R15, R16 С1-4-0.125Вт 240 Ом 5% площадь:8мм2 ; установочная площадь: 14мм2

Значения сопротивлений выбраны стандартными значениями ( Так R3 - 18кОм, вместо 18,64кОм)

Диоды

-Диоды импульсные D1-D3 серии 1n4148 - площадь 8мм2, установочная площадь 15мм2 (3шт)

Транзисторы

- VT1 2N5452 в корпусе ТО-92 - площадь 16мм2 , установочная площадь 25мм2

- VT2, VT4 MPS3703 в корпусе ТО-92 - площадь 16мм2 , установочная площадь 25мм2

- VT3 MPS3707 в корпусе ТО-92 - площадь 16мм2 , установочная площадь 25мм2

- VT5 BC327 в корпусе ТО-92 - площадь 16мм2 , установочная площадь 25мм2

- VT6 BC337 в корпусе ТО-92 - площадь 16мм2 , установочная площадь 25мм2

Микросхемы

-Операционный усилитель LM101H (корпус DIP8) - площадь 75мм2, установочная площадь 95мм2

Разъемы

Клемма винтовая KF301-2P - площадь 70мм2, занимаемая площадь 75мм2

Клемма винтовая KF301-3P- 112 мм2 , занимаемая площадь 120мм2

Суммарная площадь занимаемая всеми элементами ЭРЭ вычисляется по формуле:

, 

где Syi - значение установочной площади i-го элемента, n - количество элементов.

Приблизительная площадь печатной платы с учётом одностороннего монтажа

=

где Kз- коэффициент заполнения, m- число сторон монтажа

Зная площадь ПП, задаваясь соотношением сторон ПП по ГОСТ 10317-79 , идеально подходит размер 55х40мм. [6]

Изображение спроектированной печатной платы на (рис. 2.2.1; 2.2.2)

4) Диаметры монтажных отверстий

Элементы	Количество элементов	Диаметр выводов элемента	Диаметр установочного отверстия мм	Диаметр контактной площадки	Количество выводов элемента
R1-R16	16	0,6	0,8	2,3	2
C1-C8	8	0,6	0,8	2,3	2
D1-D3	3	0,6	0,8	2,3	2
VT1-VT6	6	0,6	0,8	1,6	3
LM101H	1	0,6	0,8	2,3	8
KF301-2P	2	1	1,3	2,8	2
KF301-3P	1	1	1,3	2,8	3



Рис. 2.2.1 Нижняя сторона платы с проводниками. Масштаб 2:1

Рис. 2.2.2 Верхняя сторона платы размещения электронных элементов.

Масштаб 2:1 (изображение зеркальное)



3. Конструкторские расчёты

По техническому заданию необходимо провести следующие типы анализов (расчётов): Анализ по переменному току; Временной анализ; Анализ шумов; Анализ Фурье; Статистический анализ.

Моделирование выполняется через меню (Рис. 2.1.2): Моделирование>Вид Анализа>

Узлы схемы изображены на (Рис. 2.1.3)

3.1 Проведение анализа по переменному току

При анализе по переменному току получают: АЧХ и ФЧХ, для проведения анализа производим: Моделирование > Вид Анализа > Режим АС

В окне параметры частоты задаём следующие параметры

Начальная: 1Гц Конечная: 1МГц (Диапазон частот измерения)

Характеристика изменения: Декадная

Количество точек на декаду: 20 (чем больше точек, тем ровнее график)

Вертикальная шкала: Затухания (дБ)

В окне переменные выбираем исследуемый узел: V(17)

Рис. 3.1.1 Анализ по переменному току



На верхнем графике показана Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

На нижнем Графике показана Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)

3.2 Временной анализ

Для выполнения моделирования схемы во временной области выполняется анализ переходных процессов. Он показывает мгновенные значения напряжений и токов в ветвях цепи.

Моделирование > Вид Анализа > Переходные Процессы.

В пункте параметры анализа устанавливаем значения:

Начало: 0.100 сек Окончание: 0.105 сек

В пункте Переменные выбираем исследуемые узел на схеме: V(1); V(17).

Рис. 3.2.1 График узла V(1) источника сигнала.

Рис. 3.2.2 График узла V(17) выходной узел

3.3 Анализ шумов

Шумы представляют собой чисто случайные сигналы, мгновенное значение которых или фазу невозможно предсказать во времени. Шумы уменьшают качество полезного сигнала и являются основными элементами, ограничивающими качественные характеристики схемы. Они могут генерироваться внутри операционного усилителя, связанными с ним пассивными элементами или попадать в схему из внешних источников.

Для проведения анализа: Моделирование > Вид Анализа > Шумов

В окне анализируемые параметры выбираем:

Источник шума V(1)

Выходной узел V(17)

Опорный узел V(0)

Рассчитать спектральную плотность шумов

В окне параметры частоты:

Начальная: 1ГЦ; Конечная: 1МГц; Количество точек на декаду: 10;

Характеристика изменения: Декадная

Вертикальная шкала: Линейная

Рис. 3.3.1 График шумов усилителя-корректора



3.4 Анализ Фурье

Анализ Фурье является методом анализа сложных периодических сигналов во времени. Данный анализ позволяет разложить любую несинусоидальную периодическую функцию в ряд Фурье, то есть на составляющие sin и cos (возможно, в бесконечный ряд), а так же на постоянные составляющие.

Для проведения анализа: Моделирование > Вид Анализа > Фурье

В окне Анализируемые параметры:

Частота дискретизации 250Гц

Количество гармоник: 100

Период дискретизации (определяется автоматически): 0,000995 сек

Шкала амплитуды: Логарифмическая

В пункте Переменные выбираем исследуемый узел на схеме: V(17).

Рис. 3.4.1 Анализ Фурье

3.5 Статистический Анализ

При проектировании электронных схем на вычислительной технике необходимо принимать во внимание то, что в действительности на производстве компоненты схем имеют отклонения от своих номинальных значений. Статистический анализ показывает насколько влияет отклонение значения элементов от номинального на работу схемы.

В данной схеме существенное влияние оказывает резистор R11, который определяет коэффициент усиления операционного усилителя .

Для проведения анализа: Моделирование > Вид Анализа > Монте-Карло

В окне допуски выбираем резистор R11, выбираем допуск 10%

В окне параметры анализа: Вид анализа: Анализ переходных процессов, количество проходов: 3, Выходная переменная: узел V(17)

Рис. 3.5.1 Статистический анализ (Монте-Карло)

Получилось 4 графика (нумерация сверху вниз)

1. График при значении R11 -9% от номинала (503 Ом)

2. График при значении R11 -3,4% от номинала (531 Ом)

3. График номинальный (550 ом)

4. График при значении R11 +5% от номинала (577 ом)



Заключение

В 1 части курсовой работы был описан принцип работы усилителя-корректора и его предназначение в аппаратуре.

Во 2 части работы были изучены основные функции и их назначение в САПР Multisim, была подготовлена схема к моделированию и были заданы параметры электронным компонентам в соответствии с техническим заданием. Недостающие элементы в библиотеке программы решились заменой элементов на их полные аналоги. Была спроектирована печатная плата в САПР SprintLayout в соответствии с ГОСТ 10317-79.

В 3 части работы произведено моделирование схемы. Выполнены анализ по переменному току, анализ переходных процессов, анализ шумов, анализ Фурье, статистический анализ.

Анализируя полученные графики моделирования видно что усилитель-корректор работает исправно в соответствии с требованием технического задания.

Программа САПР Multisim позволяет моделировать различные аналоговые и цифровые устройства. Программа поставляется с большим количеством примеров схем. Программа Multisim является удачным выбором для моделирования электронных устройств средней сложности. Удобство в работе, малые системные требования к компьютеру, способность анализировать устройства с большим количеством компонентов позволяет использовать программу в учебном и рабочем процессе.

Список литературы

1. Вычислительная техника Н. Г. Захаров, Р. А. Сайфутдинов Ульяновск 2007.

2. Система моделирования и исследования радиоэлектронных устройств Multisim 10, Шестеркин А. Н. Москва 2012.

3. Справочное руководство по звуковой схемотехнике П. Шкритек 1991.

4.Применение программного комплекса Multisim для проектирования устройств на микроконтроллерах, Лабораторный практикум. А.А. Шегал Екатеринбург 2014

5.Система схемотехнического моделирования САПР MicroCap Разевич В.Д. 2009

6. Проектирование печатных плат в программе Sprint Layout М.Г. Царёв, Ульяновск 2016.

7. Платы печатные основные размеры ГОСТ 10317-79, Москва 1984

Размещено на Allbest.ru

...