Проектирование усилителя электрического напряжения

Задание на курсовой проект

Спроектировать электронное устройство, в состав которого входит измерительный усилитель напряжения, выходной сигнал которого подключается к одному из двух выходов устройства; устройство измерения частоты сигнала, усиливаемого усилителем; а также вторичный источник напряжения их питания. Коммутация выхода осуществляется электронным аналоговым ключом, управляемым от логического блока. Если выполняется заданное логическое уравнение, то выход усилителя подключается к выходу 1. Если уравнение не выполняется, то к выходу 2. Сигналы, управляющие логическим блоком, имеют значения a, b, c, d. Электронное устройство питается от промышленной сети U=220В±10%, 50 Гц.

Необходимо разработать структурную схему устройства, а также принципиальную, печатную и монтажные схемы функциональных блоков устройства.

Технические условия

Максимальное входное напряжение: 30 мкВ

Входное сопротивление в полосе рабочих частот: < 2 кОм

Погрешность входного сопротивления: не более 5%

Коэффициент усиления по напряжению: 500000

Нижняя граница диапазона частот усилителя: 330 Гц

Верхняя граница диапазона частот усилителя: 15000 Гц

Максимальное выходное напряжение: 15 В

Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот: не более 4%

Максимально допустимое выходное сопротивление усилителя: 90 Ом

Приведенный температурный дрейф нуля: не более 4×10 мкВ/град

Минимальное сопротивление нагрузки: 50×10 кОм

Рабочий диапазон температур: 0 – 60 ºC

Разрядность цифрового индикатора частоты: 5 с

Время индикации частоты: 7 с

Логическое уравнение:

Уровни напряжений a, b, c, d: 0, 20 В

Блок-схема прибора

Прибор состоит из 5 основных блоков:

· Усилитель электрического напряжения

· Частотомер

· Аналоговый электронный ключ

· Блок питания

· Логический блок

Структурная схема устройства представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема устройства

На вход прибора подается аналоговый сигнал синусоидального вида от внешнего источника. Усилитель напряжения усиливает этот сигнал в К_U раз и далее этот сигнал поступает на вход электронного ключа. Электронный аналоговый ключ коммутирует сигнал на выход 1 или выход 2, в зависимости от состояния выхода логического блока: если сигнал выхода логического блока равен 1, то электронный ключ переключает выходной сигнал на выход 1, если равен 0 – на выход 2. На вход логического блока подаются 4 сигнала a, b, c, d, в зависимости от которых решается логическое уравнение и на выходе логического блока формируется сигнал 0 или 1. Частотомер, подключенный на выход усилителя напряжения, измеряет частоту усиливаемого сигнала, преобразуя синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы. Блок питания обеспечивает схему прибора напряжениями: ±15 В – для питания усилителя напряжения, электронного ключа, компаратора; +5 В – для питания частотомера и логического блока, +10 В – для питания индикатора.

Расчет логического блока

Логический блок данного прибора решает логическое уравнение вида:

(1)

Упростим данную функцию. По закону поглощения,

(2)

Следовательно,

(3)

Чтобы обеспечить на входе напряжение 20 В, установим на входы логического блока a, b, c делители напряжения (резисторы R1, R2, R3, R4, R5, R6). Вход d остается свободным, т.к. от уровня сигнала на нем не зависит решение уравнения.

Найдем сопротивление резисторов R1, R2, R3, R4, R5 и R6. Согласно условию,

(4)

R1=R3=R5, R2=R4=R6.

По заданию, =20 В. Напряжение логической единицы выбираем из диапазона напряжений соответствующей логики. В работе используется транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Выберем из диапазона напряжений логической единицы =4 В.

Значения R1, R2, R3, R4, R5, R6 подбираем по номинальному ряду Е192.

R1=R3=R5=400 Ом, R2=R4=R6=102 Ом.

Составим схему логического блока, который будет решать это уравнение. Схема состоит из 3 логических элементов 2И-НЕ (рис.2).

Рис.2. Схема логического блока

Составим таблицу истинности данного логического блока. Таблица истинности приведена в таблице 1.

Таблица 1. «Таблица истинности

логического блока»

a	b	c	b*c	a+b*c

По справочнику подбираем микросхему К155ЛА3. Структура и характеристики микросхемы приведены в Приложении А.

Проектирование усилителя электрического напряжения

Чтобы усилитель обеспечивал характеристики, требуемые техническим заданием, его необходимо разделить на три составные части: входную часть, которая будет обеспечивать требуемые входные характеристики, промежуточную часть, обеспечивающую необходимый коэффициент усиления с допустимой погрешностью, и выходную часть, которая будет задавать требуемые выходные характеристики (допустимое значение выходного напряжения, выходное сопротивление). С целью обеспечения необходимого коэффициента усиления на промежуточной части, установим на входе промежуточной части активный фильтр низких частот (ФНЧ) I порядка, а на выходе – активный фильтр высоких частот (ФВЧ) I порядка.

Структурная схема измерительного усилителя приведена на рис.3.

Рис.3. Структурная схема измерительного усилителя