ГОУВПО  «Сибирский государственный  технологический  университет»

       Кафедра электротехники 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Курсовая  работа 

       Проектирование  усилительного устройства 

       Пояснительная записка

       (ЭТ. 000000. 222. ПЗ) 
 
 
 
 

                                                                                                            Руководитель:

                                                                                                            Меньшиков В.В.

                                                                                                              ______________

                                                                                                                                                                   (подпись) 

                                                                                                              ______________

                                                                                                                   (оценка, дата) 

                                                                                                             Разработала:

                                                                                                             студентка гр. 23-6

                                                                                                             Смирнова Д.А.

                                                                                                              ______________

                                                                                                                                                                   (подпись) 

                                                                                                              ______________

                                                                                                                      ( дата)

Задание на курсовую работу………………………………………………………….……..3

Реферат………………………………………………………………......................................4

Введение………………………………………………………………………………………6

1.Проектирование  усилительного устройства………………………...................................7

  1.2.Определение  основных параметров усилителя……………………………………….7

  1.3.Выбор  схемы входного каскада………………………………………………………..8

  1.4.Выбор  и расчет усилителя напряжения………………………………………………..9

  1.5.Выбор  и расчет активного фильтра…………………………………………………….9

  1.6.Выбор  схемы и расчет усилителя мощности………………………………………….13

2.Проектирование  источника питания……………………………………………………...16

  2.1.Обоснование  выбора схемы блока питания…………………………………………...16

  2.2.Структурная  схема блока питания……………………………………………………..17

  2.3.Расчет  и выбор стабилизатора………………………………………………………….17

  2.4.Расчет  выпрямителя с фильтром……………………………………………………….18

  2.5.Расчет  силового трансформатора………………………………………………………23

3.Разработка  цифрового узла………….……………………………………………………..29

  3.1.Выбор  схемы прибора…………………………………………………………………..29

  3.2.Принципиальная схема………………………………………………………………….30

  3.3.Технические  характеристики……………………………………………………………32

  3.4.Программная  часть……………………………………………………………………….32

  3.5.Настройка  частотометра…………………………………………………………………33

Заключение…………………………………………………………………………………….34

Библиографический список…………………………………………………………………..35 
 

Студентке группы 23-6 Смирновой Дарье Андреевне

на  курсовую работу (КР)

по дисциплине “Промышленная электроника”

Тема  курсовой работы: Проектирование усилительного устройства 

Курсовая работа включает в себя три части:

1. Проектирование усилительной части устройства с активным фильтром и усилителем мощности.
2. Разработка цифрового узла, функционально связанного с усилительной частью.
3. Выбор и расчет блока питания всей схемы.

                                                                                                              Руководитель:

                                                                                                              Меньшиков В.В.

                                                                                                              ______________

                                                                                                                                                                   (подпись) 

                                                                                                              ______________

                                                                                                                   (оценка, дата) 

                                                                                                             Разработал:

                                                                                                             студентка гр. 23-6

                                                                                                             Смирнова Д.А.

                                                                                                              ______________

                                                                                                                                                                   (подпись) 

                                                                                                              ______________

                                                                                                                      ( дата) 

Реферат 

    В данной курсовой работе рассмотрено  проектирование усилительного устройства.

    Произведено проектирование усилительного устройства и источника питания.

      Пояснительная записка содержит  35 страниц текста, 14 рисунков, 5 использованных источника.

    Исходные  данные  

Усилительная  часть 

Вариант №42: 

E_г=0,03 В

R_г=0,1 кОм

R_н=8 Ом

P_н =0,8 Вт

Тип фильтра - ФНЧ

Тип аппроксимации  фильтра - Бесселя

Порядок фильтра-4

f_с=120 Гц 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Руководитель: __________________

      (подпись)

           Задание принял к исполнению:

           _______________________________

      (подпись) 

Введение

   Курсовая  работа по электронике выполняется  по разделу курса “Промышленная электроника”. Она включает в себя разработку и расчёт законченного промышленного электронного устройства с целью закрепления теоретических знаний по ряду разделов курса электроники.

   Назначение  усилительного устройства и его  структура определены техническим заданием. Задача выбрать оптимальный вариант реализации заданной структуры и рассчитать его элементы.

   Структура и характеристики блока питания  определяют после разработки усилительной и цифровой частей устройства.

   Методика  выполнения курсового проекта должна отражать тот путь, которым практически используются все разработчики электронных схем.

   Во-первых. Получив задание, надо попытаться подобрать  готовую схему, предназначенную для решения аналогичных задач.

   Во-вторых, если готовое решение найти невозможно, а это часто случается, так как задачи. Встающие перед разработчиками электронных устройств, весьма разнообразны, то необходима, моделировать существующие технические решения.

   В-третьих, даже если схема определена. Надо уметь  рассчитывать её параметры, совершенно чётко представлять себе её работу.

   Необходима  отметить, что из-за большого технологического разброса параметров у компонентов электронных устройств, в особенности полупроводниковых элементов, конденсаторов большой ёмкости, точность расчётов в электроники не велика. 
 

1. Проектирование усилительного  устройства

1.1 Структурная схема  усилителя

      Исходными данными для разработки усилителя являются: ЭДС источника сигнала - ; его внутреннее сопротивление - ; сопротивление нагрузки усилителя - ; мощность в нагрузки - ; наличие в составе усилительного устройства фильтра заданного порядка и аппроксимации с требуемыми частотными характеристиками.

      Входной каскад (ВК) предназначен для согласования источника сигнала с усилительным устройством. Усилитель напряжения (УН) усиливает входной сигнал до необходимого уровня. Активный фильтр формирует заданную частотную характеристику устройства. Усилитель мощности служит для создания в нагрузке требуемой мощности усиливаемого сигнала.

Рисунок 1.1 –  Структурная схема усилительного  устройства

1.2 Определение основных параметров усилителя

Входное сопротивление  усилителя выбирают так, чтобы . 

Практически : 

      =0,1*100=1 кОм. 

. 

Общий коэффициент усиления: 

>20, следовательно, усилитель  напряжения из схемы исключить  нельзя. 

1.3 Выбор схемы входного каскада

    Для выбора схемы ВК необходимо учитывать два основных фактора: требуемое входное сопротивление и частотную характеристику всего усилителя, которая зависит от фильтра.

    Если задан фильтр низких частот, усилительное устройство должно представлять собой усилитель постоянного тока и не содержать разделяющих конденсаторов.

    В этом случае ВК выполняется только на операционном усилителе.

При возможно использование инвертирующего усилителя.

Так как  , => выбираем инвертирующий операционный усилитель (ОУ).

  Рисунок 1.2 – Инвертирующий усилитель напряжения на ОУ.

            1.4 Выбор и расчёт  усилителя напряжения

Каскад УН строим на базе инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления, которого:

      ,

где К_и – коэффициент усиления УН

Входное сопротивление  каскада:

R_вх=R₁ (причем в R₁ входит также сопротивление источника сигнала).

 кОм

R_2=5*1=5 кОм

Для уменьшения температуры дрейфа каскадную величину резистора R₃ выбираем равной:

R₃=(R₁·R₂)/(R₁+R₂);

R₃=0,82  кОм 

      1.5 Выбор и расчёт  активного фильтра.

   Фильтр  – это электрические устройства, предназначенные для передачи сигналов в определенной области частот.

   В зависимости от рабочей полосы частот фильтры разделяют на:

-фильтры  низких частот (ФНЧ).

-фильтры  верхних частот (ФВЧ)

-пропускающие  полосовые фильтры (ППФ).

-заграждающие  полосовые фильтры (режекторные).

   Пропускающие  полосовые фильтры – пропускают все сигналы, с частотами от f_н до f_в, здесь Δf= f_в- f_н-полоса пропускания. 
 
 

Фильтр Бесселя – применяется для передачи импульсных сигналов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 1.3 – Фильтр Бесселя 
 

    Рассчитаем  значения схемы Саллен-Кея по следующим  формулам:

ФН Ч 4 порядка 1 звено:

;

. 

1 звено:  А  = 4

    Рассчитаем  значения для 2-ого последовательно  соединённого звена. Расчет проводится по тем же формулам. Коэффициенты b и c берём из таблицы 1,    А = 4. 

;

.

1.6 Выбор схемы и  расчёт усилителя мощности.

Рисунок 1.5 –  Усилитель мощности с ОУ

P_н=0,8 Вт

R_н=8 Ом 

Расчетная мощность больше номинальной на величину потерь в эмиттерных резисторах           

Напряжение источника питания

Амплитуда тока коллектора транзисторов оконечного каскада

Среднее значение тока, потребляемого от источника  питания:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе выходного транзистора:

Выбор оконечных  транзисторов проводим с учетом условий:

Возьмём пару транзисторов серии КТ502 , КТ503;

Ток базы равен:

Ток делителя равен:

Сопротивление делителя:    

Сопротивление эмиттера:  

Ток нагрузки:

А 
 

По току нагрузки выбираем операционный усилитель:

К140УД6:

1. ±U_П = 5-20 В;
2. ±U_ВЫХ = 12 В;
3. R_H = 1 кОм;
4. К = 60 тыс.;
5. КОСС = 70 дБ;
6. I_П = 3 мА;

       Рисунок 1.6 – Операционный усилитель К140УД6

Вывод: в результате расчёта мы определили основные параметры  усилительной части устройства:

_.

_.

_{Подобрали транзисторы, диоды смещения, ОУ и рассчитали сопротивления.}

  2. Проектирование источника питания

2.1 Обоснование выбора  схемы блока питания

   Источник  питания состоит из силового трансформатора, выпрямителей, сглаживающих фильтров, и во многих случаях стабилизатора напряжения или тока. Расчёт и проектирование источника питания ведут, начиная с конечного элемента-стабилизатора или выпрямителя с фильтром, а затем рассчитываем трансформатор.

   Расчёт  и проектирование источника питания  для разрабатываемого узла следует  начинать с определения основных напряжений и соответствующих токов, которые должен вырабатывать блок. Эти данные из предыдущих разделов курсовой работы.

   Токи, потребляемые операционным усилителем, берут из справочника. Ток, потребляемый  усилителем мощности, берут из расчёта усилителя мощности.

   При этом необходимо  определить, какие напряжений должны стабилизироваться. Обычно стабилизируют питание транзисторных усилительных каскадов, собранных на дискретных элементах. Т.к. они температурой нестабильности. Для питания же операционного усилителя достаточно использовать простые параметрические стабилизаторы. Но при этом нагружать их более чем тремя  операционными усилителями, без развязывающих фильтров нельзя, т.к. может возникнуть самовозбуждение схемы. Выходные каскады усилите мощности,  собраны по двухконтактной схеме, могут питаться нестабилизированным напряжением.

     В современных блоках питания широко применяются стабилизаторы напряжения на интегральных микросхемах, обеспечивающие большие рабочие токи и высокий коэффициент

 стабилизации при минимуме дополнительных навесных элементов. Поэтому в курсовой работе  желательно использовать

  2.2 Структурная схема блока питания 

Рисунок 2.1 –  Схема принципиального цифрового  частотомера с ЖК 

2.3 Расчёт и выбор  стабилизатора

 Исходные  данные для расчета стабилизатора  напряжения: номинальное выходное напряжение - ; ток нагрузки - ; относительное отклонение напряжения сети в сторону понижения

_; 

где U₁ -напряжение сети, обычно принимают равным (0.1)

Поэтому .

Исходя из Uвых и Iвых выбираем стабилизатор:

Выбираем для  операционного усилителя стабилизатор К142ЕH1с параметрами: 

_{; ; ; ;}

_{; .} 

_{Определим минимальное входное  напряжение стабилизатора:} 

_;

_где - минимальное допустимое падение напряжение между входным и выходным напряжением трансформатора: 

С учётом возможного уменьшения напряжения в сети: 

_. 

- относительное отклонение напряжения  сети в сторону понижения: 

для К142ЕH1 =8,75+4=12,75 В.

.

    2.4 Расчёт выпрямителя с фильтром

    Цель  расчёта выпрямителя: определить переменные токи Iп и напряжения Uп всех обмоток трансформатора и, следовательно диаметры проводов: проводов обмоток число витков Wп в них, его мощность Pтр, выбрать выпрямительные диоды и найти ёмкость конденсаторов фильтров. В большинстве случаев в выпрямителях применяют простейшие фильтры в виде конденсаторов большой ёмкости: 

    Исходными данными для расчёта источника  питания являются:

    - Uо, В – номинальное выпрямительное напряжение (в случае использования стабилизатора оно равно его входному напряжению);

- Iо, А – ток нагрузки (Iо=Iвых+Iпот);

- U1, В – номинальное напряжение сети;

- fc, Гц – частота сети;

- Кп –  допустимый коэффициент пульсации  (Кп=U01/U0, где U01 – амплитуда первой гармоники). 

Дано: 

U₀ =U_вх= 14,17В;

I₀ = I_вых+I_пот=0,156+0,15=0,306 А

U₁ = 220 В;

F_с= 50 Гц;

К_п = 10%; 

Расчёт 

1 Выбираем  вариант схемы выпрямителя:

Берем мостовую схему рис. 16в по методическому  пособию;

2 Определяем  сопротивление трансформатора rтр, вентиля , и по их значения находим сопротивление фазы выпрямителя rв: 

  ,

где: J – плотность тока в обмотках трансформатора (для трансформаторов до 100 Вт J=3…5 А/ ); B – магнитная индукция в сердечнике( принимаем В=1,1…1,3); - расчётный коэффициент равный 2…2,3.

Ом;

3 Число фаз  выпрямителя будет равно m=2. 

4 Среднее  значение тока через вентиль: 

Iов=Io/2; 

Iов= ;

5 Амплитуда  обратного напряжения на вентиле: 

    ;

   В;

По среднему току через вентиль Iов и амплитуде обратного напряжения выбираем диоды. Ток Iов должен быть меньше максимально допустимого среднего тока диода, указанного в справочнике:

Выбираем диод Д2Б с параметрами: 

U_обр = 30 В;

I_пр = 0,05 А;

r₁=U_пр/(3*I_ов);

r₁=1/(3*0,153)=2,18 Ом; 
 

6 Внутреннее  сопротивление выпрямителя: 

rв=2*ri+rтр;

  rв=2*2,18+4,92=9,28Ом;

7 Определяет  по формуле коэффициент А: 

A=(π*Io*rв)/m*Uo;

   A=(3,14*0,306*9,28)/(2*14,17)=0,315; 

По графикам (рис 18. в методическом пособии) находим вспомогательные  коэффициенты

F_o=5,2;

B_o=1,02;

D_o=2,03; 

           9 Напряжение на вторичных обмотках: 

    U2= Bo*Uo;

    U2=1,02 *14,17=14,45 В; 

10 Ток вторичной  обмотки: 

    I2=(Do*Io)/1,41;

    I2=(2,03*0,306)/1,41=0,44 A. 

11 Действующее  значение тока через вентиль: 

    IВ=(Do*Io)/2;

    IВ=(2,03*0,306)/2=0,31 A; 

12 Габаритная  мощность трансформатора: 

Pгаб=1.5*Po,  где Po=Uo*Io;

     a)    Po=14,17*0,306=4,34 Вт ;

     b)    Pгаб=1,5*4,34=6,51 Вт. 

13 Составляющая  тока первичной обмотки трансформатора: 

I1=n*I2; где n – коэффициент трансформации n=U2/U1; U1 - номинальное напряжение сети;

n=14,45/220=0,06;

          I1=0,06*0,44=0,03 А;

14 Определим  ёмкость фильтра по формуле: 

;

      2.5 Расчёт силового  трансформатора

    Заданными величинами при расчёте трансформатора являются напряжение всех обмоток, токи обмоток, и мощность трансформатора. 

Дано: 

U1=220 В;

U2=14,45 В;

Pгаб=6,51 Вт;

I1=0,03 А;

          I2=0,44А 

Расчёт

1. Определим составляющие, вызванные токами вторичных  обмоток трансформатора 
   I1(n)=In*Un/U1;

    I1(2)=0,44*14,45/220=0,03 А; 

2 Определяем  габаритную мощность трансформатора: 

       - КПД, значение которого мы  определим по графику 19[1]; принимаем  ;

;

3 По габаритной  мощности трансформатора выбираем  магнитопровод:

Сечение стержня  сердечника: 

  ,см²;

см². 

      Из  условия  , с=(1…2)*а, где a – ширина стержня магнитопровода, с – толщина магнитопровода, находим ориентировочное значение ширины стержня:

  ;

. 

Находим произведение сечения стержня сердечника на площадь  окна: 

,

где B – магнитная индукция для броневых трансформаторов B=1,3;

       J – плотность тока в обмотках (J=3 );

  - коэффициент заполнения окна медью принимаем равным 0,25; 

- коэффициент заполнения сталью  площади стержня магнитопровода принимаем равным 0,95; 

 Выбираем  магнитопровод ШЛ20*20, с параметрами:

  ;

  ;

  ;

  ;

  ;

  ;

                . 
 
 
 
 

                  Рисунок 2.2 –  Ленточный магнитопровод

4 Определяем  число витков в обмотках:

Определяем число  витков в обмотках:

ΔU₁=6,5%

ΔU₂=11% 

Для первичной: 

Для вторичной:

5 Определим диаметры  проводов обмоток трансформатора  без учёта толщины изоляции  по действующему значению тока  в обмотке n и заданной плотности тока J: 
 
 

;

;

Полученные  значения диаметров округляем до ближайших стандартных и выбираем марку обмоточных проводов, указывая его диаметр с изоляцией: 

d₁ =0,113(ПЭВ-1 диаметр с изоляцией D = 0,44), 

d₂=0,433(ПЭВ-1 диаметр с изоляцией D = 0,810). 

      Рисунок 2.3-Схема блока питания

3. Разработка цифрового  узла

Задание:

Вариант цифровой части 12 – цифровой частотометр

Диапозон  измерений 0 – 99 Гц

Чувствительность 0,1 В

Количество знаков индикатора 2

Вид цифрового индикатора ЖК 

  3.1 Выбор схемы прибора

  В настоящее время разработано  большое количество электронных  шкал и частотомеров, при разработке которых используются микросхемы разной степени интеграции. Зачастую это  сложные устройства, насчитывающие несколько десятков микросхем. Эти конструкции довольно сложны для повторения из-за того, что в сложной схеме гораздо выше возможность допустить ошибку на всех этапах – от публикации до монтажа.

      Принципиальную  схему частотомера можно предельно упростить, если построить ее на базе процессора PIC16F84 фирмы Microchip (http://www.microchip.com/). Этот процессор обладает высоким быстродействием, широкими функциональными возможностями. Встроенное энергонезависимое запоминающее устройство позволяет записывать и оперативно изменять величину промежуточной частоты цифровой шкалы.

  В этом случае вся работа по измерению, преобразованию и динамической индикации  перенесена на программное обеспечение, а аппаратная часть содержит всего  две микросхемы.  
 
 

3.2 Принципиальная схема

Принципиальная  схема частотомера - цифровой шкалы  приведена на рис 6. Она состоит  из:

• формирователя входного сигнала, выполненного на транзисторе VT1. Сигнал измеряемой частоты, поданный на вход J5, ограничивается, усиливается и подается на вход PIC процессора для измерения;
• центрального процессора U1, выполняющего функции измерения, расчета, преобразования, управления динамической индикацией и динамического опроса входных сигналов. Выводы J3 и J4 используются для выбора режима цифровой шкалы. Тактовая частота процессора определяется кварцевым резонатором Y1 и может изменяться в небольших пределах конденсаторами C3 и C4.
• Индикатора U2 для отображения частоты.
• микросхемы U3 – дешифратора позиции отображаемой цифры.
• Интегрального стабилизатора питающего напряжения U4. Напряжение питания частотомера величиной 8..12 вольт подается на выводы J1(+) и J2(-)

3.3 Технические характеристики     

 Максимальная  измеряемая частота .………………30 Мгц  
     Максимальное разрешение измеряемой частоты…1 Гц,  
     Чувствительность по входу………………………….100 мВ  
     Напряжение питания ………………………………. 8…12 В,  
     Потребляемый ток………………………………….. 35 мА. 

3.4 Программная часть 

    Принцип работы описываемого прибора (как и  других частотомеров) заключается: в подсчете пришедших на его вход импульсов за фиксированный промежуток времени.

    Секундный интервал отсчитывают с помощью  программно opгaнизованных циклов, в  течении которых выполняется  динамическая индикация предыдущих показаний. По окончании счета получить значение измеренной частоты простым опросом регистров можно только из шестнадцатиразрядного таймера-счетчика и трехразрядного счетчика переполнений. Данные, находящиеся в восьмиразрядном предделителе извлекают методом досчета до переполнения. На вход предделителя подают одиночные импульсы и когда фиксируют его переполнение (во все разрядах - нули), вычисляют записанное в нем значение, равное 256 (FF) за вычетом числа поданных импульсов. После этого двоичное число, соответствующее измеренной частоте, преобразуют в двоично-десятичное, а затем - в код семиэлементного индикатора, при этом, в нем гасятся незначащие нули, и при следующем измерении это число выводится на табло.  

3.5 Настройка частотометра 

Правильно собранный частотомер с правильно  запрограммированным PIC прsоцессором почти не требует настройки. Минимальная настройка заключается в подаче на вход частотомера эталонной частоты и подстройки конденсатора C3 до получения правильных показаний на индикаторе. При этом возможно потребуется корректировка емкости конденсатора C4. 

Заключение 

В результате расчёта  мы проектировали усилитель, источник питания, подобрали по исходным данным схему цифрового устройства.

Применяли в  устройствах Цифровые элементы: стабилизаторы  напряжения, операционные усилители. 

Библиографический список:  

1 Лурье М.С., Черкасов  В.И Промышленная электроника  Методические указания к выполнению курсовой работы, 1995,- 44 с.

2 Лурье М.С  Промышленная электроника: аналоговые  устройства промышленной электроники:  Красноярск,1996,- 175с.

3 Шило В.С  Интегральная электроника в измерительных  устройствах.-Л.: Энергоатомиздат, 1968, - 321 стр.

4 Шило В.Л  Популярные цифровые схемы. – М.: Радио и связь, 1987. – 437с.

5 http://ra3rbe.qrz.ru

Фильтр –  ФНЧ;

Порядок фильтра  – 4;

Аппроксимация Бесселя;

f_с=120 Гц 

Рисунок 1.4 –  Принципиальная схема фильтра