Системотехнічне проектування

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут інформаційно-діагностичних систем

КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

К У Р С О В А Р О Б О Т А

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

з навчальної дисципліни «ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ»

Тема:«ПРОЕКТУВАННЯ, МОДЕЛЮВАННЯ ТА НАЛАГОДЖЕННЯ ПРИСТРОЮ ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ В СЕРЕДОВИЩІ MULTISIM 11 »

Виконала: студентка 212 групи інституту інформаційно-діагностичних систем

Заїка Ганна Володимирівна

Керівник: к.т.н., професор Медведенко Б.І.

Київ – 2012

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут інформаційно-діагностичних систем

Кафедра інформаційно-вимірювальних систем

ЗАВДАННЯ

На виконання курсової роботи

студентки Заїки Ганни Володимирівни

Тема курсової роботи: Проектування, моделювання та налагодження пристрою обробки інформації в середовищі “Multisim11 “

1. Термін виконання проекту: з 24.02.2012 р. до 25.04.2012 р.

2. Вихідні дані до роботи: тип операційного підсилювача – К140УД6;

початковачастота – f1=27кГц

вихідна потужність – P_вих =1 2Вт;

3. Етапи роботи над курсовим проектом:

- розробка функціональної схеми

- розробка принципових схем функціональних вузлів пристрою ;

- моделювання і дослідження функціональних вузлів у середовищі
Multisim 10;

- розробка повної принципової схеми пристрою

- оформлення пояснювальної записки та креслень

4. Перелік обов'язкового графічного матеріалу:

- функціональна схема пристрою;

- повна принципова схема пристрою.

5. Завдання видав Медведенко Б.І. ( )

(підпис керівника) (П.І.Б. керівника)

“ ” _______ 2012 р.

6. Завдання прийняв до виконання

(підпис студента)

Курсову роботу захищено з оцінкою___________

Голова комісії: 25.04.2012р.

Члени комісії:_______________________________________________

Вступ

Курсова робота (КР) виконується з метою удосконалення та закріплення теоретичних умінь в процесі засвоєння всього учбового матеріалу дисципліни в області побудови та використання функціональних вузлів електронної техніки на дискретних компонентах та ІМС.

КР є важливим етапом у здобутті навичок при роботі з довідковою та науково-технічною літературою в процесі пошуку необхідних елементів пристрою, дозволяє краще оволодіти та вдосконалити вміння працювати в середовищі “ELECTRONICS WORCBENCH “.

Неперервне вдосконалення характеристик інтегральних мікросхем – збільшення функціональної складності, підвищення швидкодії, зниження споживаної потужності, покращення якості та надійності – дозволяє підвищити технічний рівень та якість продукції машинного будівництва, засобів автоматизації та приладів, значно піднімає економність та продуктивність техніки, її надійність.

Розроблена схема являє собою фрагмент поширеного пристрою обробки електричних сигналів, який входить до складу аналогово-цифрових перетворювачів.

Зміст

Вступ………………………………………………………………………… 3

Перелік умовних позначень, символів, одиниць і термінів……………… 6

1. Системотехнічне проектування…………………………………………. 8

1.1. Структурна схема………………………………………………………. 7

1.2. Функціональна схема…………………………………………………... 9

1.3.Формування та передача електричних інформаційних сигналів ….... 9

2. Схемотехнічне проектування……………………………………………. 10

2.1. Операційний підсилювач…………………………………………… 10

2.2. Компаратор………………………………………………………….. 11

2.3. Вибірковий підсилювач ……………………………………………. 13

2.4.Автоколивальний мультивібратор.………………………………… 14

2.5.Комутатор…………………………………………………………………..15

2.6.Генератор гармонічного сигналу…………………………………… 16

2.7.Суматор ……………………………………………………………… 17

2.8. Підсилювач потужності…………………………………………… 18

2.9. Принципова електрична схема пристрою обробки інформації... 19

Висновки…………………………………………………………………….. 24

Список використаної літератури…………………………………………... 25

РЕФЕРАТ

Мета роботи – розробка функціональної схеми пристрою обробки інформації, розробка принципових схем ,набуття навиків моделювання і дослідження функціональних вузлів радіоелектронної апаратури в середовищі “Multisim 2001”

Метод дослідження – моделювання в середовищі “Multisim 2001”

Обґрунтовано, що для побудови пристрою обробки інформації можуть бути ефективно використані вибрані типи інтегральних мікросхем. Для побудови генераторів та формувачів імпульсів використовується заданий тип операційного підсилювача

Результати курсового проектування рекомендується використовувати в навчальному процесі при проведенні лабораторних робіт.

Прогнозні припущення щодо розвитку об'єкта дослідження : покращення масогабаритних показників пристрою обробки інформації шляхом використання більш досконалих дискретних компонентів та інтегральних мікросхем.

Обґрунтовано, що для побудови даного пристрою обробки інформації можуть використовуватись вибрані типи інтегральних мікросхем. Для побудови генераторів та формувачів імпульсів використовується заданий тип операційного підсилювача.

Перелік умовних позначень, символів, одиниць і термінів

Операційний підсилювач – підсилювач електричних сигналів, призначений для виконання різних операцій над аналоговими величинами при роботі схеми з негативним зворотнім зв’язком.

Коефіцієнт підсилення (К_u) – відношення приросту значення вхідної напруги до зміни диференційної напруги, що його виході.

Напруга зміщення (U_зм) – напруга, яку необхідно прикласти між входами ОП для отримання нуля на виході ОП.

Середній вхідний струм (i_вх) – середнє арифметичне значення вхідних струмів, виміряних при такій вхідній напрузі, при якій вихідна напруга ОП рівна нулю.

Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу (K_сф) – відношення коефіцієнту підсилення диференційного сигналу К_u до коефіцієнту підсилення синфазного сигналу К_u.сф, що визначається як відношення зміни вихідної напруги до зміни синфазного сигналу, що її викликала.

Коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення (К_п) – відношення зміни напруги зміщення до зміни напруги одного з живлячих джерел, що її викликала.

Вхідний опір (R_вх) – відношення приросту вхідної напруги ОП до викликаної нею активної складової вихідного постійного чи змінного струму.

Частота одиничного підсилення (f_од) – частота, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП дорівнює одиниці.

Гранична частота (f_гр) – максимальна частота синусоїдального сигналу, при якій зберігається гарантований ефективний діапазон синусоїдальної вихідної напруги ОП.

Максимальна швидкість наростання вихідної напруги (υ) – найбільша швидкість зміни вихідної напруги ОП при поданні на його вхід імпульсу прямокутної форми максимально допустимої амплітуди.

Системотехнічне проектування

1.1. Структурна схема

Рис. 1.1.1 Структурна схема мікроелектронного пристрою обробки інформації

1.2. Функціональна схема

Рис. 1.1.2 Функціональна схема мікроелектронного пристрою обробки інформації

1.3. Формування та передача електричних інформаційних сигналів в пристрої

На вхід компаратора (1) поступає гармонічний електричний інформаційний сигнал заданої частоти f 1

На виході компаратора формуються прямокутні імпульси, частота яких співпадає з частотою вхідних сигналів, але мають значно більший спектр частот ( тобто одержуєм гармонічні складові f 1, 2f 1, 3f 1, 4f 1 та ін ). Таке перетворення дозволяє за допомогою вибіркового підсилювача (2) виділити третю гармонічну складову і таким чином виконати операцію: «помноження частоти».

Гармонічний сигнал частою 3f1 подається на інформаційний вхід комутатора (5), на керувальний вхід якого подаються прямокутні імпульси релаксаційного генератора (4) ( мультивібратора ) частотою 0.3f 1. На виході комутатора формується гармонічний сигнал частотою 3f1, промодульований прямокутним сигналом частотою 0.3f1.

Складний вихідний сигнал формується за допомогою суматора (6). Крім сигнала з виходу комутатора на вході сумотора діє гармонічний сигнал частотою 0.03f1, який формується генератором (3). Сформований на виході суматора складний сигнал подається на вхід підсилювача потужності (7).

2. Схемотехнічне проектування

Операці́йний підси́лювач (рос. операционный усилитель, англ. operational amplifier, нім. Operationsverstärker m) — підсилювач постійного струму з диференційним входом, що має високий коефіцієнт підсилення. Призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переважно, в схемах з від’ємним зворотним зв’язком (ВЗЗ). Операційні підсилювачі застосовуються в різноманітних схемах радіотехніки, автоматики, інформаційно-вимірювальної техніки, - там, де необхідно підсилювати сигнали, в яких є постійна складова.

В даний час ОП отримали широке застосування, як у вигляді окремих мікросхем, так і у вигляді функціональних блоків - у складі складніших мікросхем. Така популярність обумовлена тим, що ОП є універсальним блоком з характеристиками, близькими до ідеальних, на основі якого можна побудувати безліч різноманітних електронних вузлів.

Рис. 2.1.1. Принципова схема ОП 140УД601A

Рис 2.1.2. Схема включення ОП 140УД6

Основні технічні характеристики ОП 140УД6:

Робота від двох джерел / -5 ... / -18 Вольт

Малий струм споживання: не більше 4 мА

1 МГц частота одиничного посилення

2 В / мкс швидкість наростання

Вхідний струм не більше 100 нА

Зсув нуля не більше 10 мВ

Температурний дрейф зміщення нуля не більше 20 мкВ / ° С

Широкий діапазон допустимих синфазних напруг: / -15 В

Диференціальний коефіцієнт підсилення не менш 30 000

Внутрішня частотна корекція

Зарубіжний аналог - МС1456

Виготовляється в 8-вивідних 2101.8-1 (КР140УД608) і 301.8-1 корпусах

140УД6 відноситься до підсилювачів загального призначення. Це дешеві підсилювачі середнього швидкодії, невисокою точності і малої вихідної потужності,на базі таких підсилювачів можно спроектувати Передпідсилювач Ем для звукознімача, ламповий комбопідсилювач тощо.

Компаратор

Компаратор – пристрій, який порівнює напругу на інвертуючому та неінвертуючому входах. Його часто використовують для перетворення аналогової інформації в цифрову форму. Промисловістю для цього випускаються спеціалізовані підсилювачі, однак аналогічних результатів можна добитись на базі класичного операційного підсилювача, якщо ОП має наступні властивості: великий коефіцієнт підсилення; малий зсув нульового рівня; малий час відновлення після перевантажень; висока швидкість наростання вихідної напруги.

Основним показником ОП, що працюють в імпульсному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та часом зростання вихідної напруги.

Зобразимо схему вмикання компаратора на ОП.

Рис. 2.2.1. Компаратор на ОП 140УД2

На вхід компаратора 1 поступає гармонічний електричний інформаційний сигнал заданої частоти f 1 частотою 1 кГц.

Рис2.2.2.Схема включення компаратора в середовищі “Multisim 11”

Рис.2.2.3. Осцилограми сигналів на вході та виході компаратора

Вибірковий підсилювач

Вибіркові підсилювачі призначені для підсилення електричних сигналів у вузькій смузі частот, за межами якої підсилення набагато слабкіше або взагалі відсутнє. Є дві різновидності вибіркових підсилювачів. У перших вузька смуга пропускання забезпечується використанням паралельного LC -контуру, що має частотно-вибіркові властивості, як навантаження вихідного кола підсилювача. Оскільки контур має резонансні властивості, такі підсилювачі називають резонансними. Вибіркові підсилювачі другої різновидності використовують кола частотно-залежного зворотного зв`язку, що підкреслюють або заглушають сигнали у вузькому діапазоні частот. Це, власне, зумовлює квазірезонансний характер частотної характеристики підсилювача. Такі підсилювачі називають підсилювачами із частотно-залежним зворотним зв`язком.

Для побудови вибіркових підсилювачів на базі ОП використовують подвійний Т-подібний міст (R₁, R₂, R₃, C₁, C₂, C₃) в якості негативного зворотного зв’язку. Подвійний Т-подібний міст будується з наступними умовами : R₁ = R₂ = 2R₃ = R, C₁ = C₂ = C₃ = C. Квазірезонансна частота такого моста:

Коефіцієнт підсилення ОП при введені негативного зворотного зв’язку (НЗЗ) має наступний вигляд:

, де: - коефіцієнт підсилення без НЗЗ на частоті ω; - коефіцієнт підсилення ланки НЗЗ на частоті ω. На частоті коефіцієнт підсилення = 0. Тому на такій частоті коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача максимальний. На інших частотах він дуже малий. Тому на виході такого підсилювача матимемо сигнал із частотою яка дорівнює .

Нам потрібно на виході отримати частоту f_{кв.рез.=}3f₁₌27 кГц. Вибираємо значення R = 1 KОм (R₁ = 1 KОм, R₂ = 1 KОм, R₃ = 500 Ом), тоді:

Рис.7. Принципова електрична схема подвійного Т-подібного

мосту ( а ) та його АЧХ на екрані Bode Ploter

За допомогою вибіркового підсилювача ми виділяємо третю гармонічну складову і таким чином виконуємо операцію: «помноження частоти». На виході компаратора формуються прямокутні імпульси, але за допомогою вибіркового підсилювача маємо значно більший спектр частот ( тобто одержуєм гармонічні складові f 1, 2f 1, 3f 1, 4f 1 та ін ).

Рис.2.3.3.Схема включення вибіркового підсилювача в середовищі «Multisim 11»

Рис.2.3.4. Осцилограми сигналів на вході та виході вибіркового підсилювача