Главная Контакты В избранное
  • Курсовая работа по курсу «Электротехника и электроника» Расчет и проектирование электронных устройств на основе операционных усилителей

    АвторАвтор: student  Опубликовано: 18-09-2017, 19:41  Комментариев: (0)

     

     

    Курсовая работа по курсу «Электротехника и электроника»

     

    Расчет и проектирование электронных устройств на основе операционных усилителей

     

     

    Вариант 1

     

     

     

     

     

    Содержание

     

    1 Расчёт и проектирование усилителей постоянного тока……………………3

    1.1 Анализ инвертирующего усилителя постоянного тока…………………..4

    1.2 Расчёт и выбор элементов инвертирующего УПТ………………………..4

    1.3 Расчёт погрешностей………………………………………………………..5

    1.4 Расчёт основных показателей схемы………………………………………8

    1.5 Построение ЛАЧХ……………………………………………………….….8

     

    2 Расчёт и проектирование усилителей с ёмкостной связью

    2.1 Анализ инвертирующей схемы с ёмкостной ОС………………………….10

    2.2 Расчёт и выбор элементов схемы с ёмкостной ОС ……………………….12

    2.3 Расчёт параметров усилителя с ёмкостной связью ………………………13

    2.4 Построение ЛАЧХ…………………………………………………….…….13

    3 Расчёт и проектирование мультивибратора на основе ОУ

    3.1 Анализ схемы мультивибратора на основе ОУ…………………………...15

    3.2 Расчёт и выбор элементов схемы мультивибратора ……………………..20

    3.3 Определение температурной нестабильности…………………………….21

    3.4 Проверка мультивибратора на работоспособность ……………………....22

     

    Приложение……………………………………………………………………...23

    Библиография……………………………………………………………………24


    1Расчёт и проектирование усилителей постоянного тока

     

    Усилители постоянного тока достаточно часто используются как измерительные, т.е. они входят в измерительную систему как измерительные преобразователи. В этом случае при расчёте и выборе элементов схемы мы должны обеспечить необходимую точность преобразования.

     

    Рисунок 1-Характеристики преобразования УПТ

    - идеальный

    - - - - - - реальный
    а - при мультипликативной погрешности,

    b - при аддитивной погрешности

     

    Основные погрешности усилителя можно разделить на мультипликативные и аддитивные составляющие. Изменение приводит к появлению мультипликативной составляющей. Это отображается изменением угла наклона характеристики преобразования (рис.1.1,а).

    Изменение приводит к параллельному перемещению характеристики на(рис.1.1,b), что вызывает появление аддитивной составляющей погрешности.

    В общем случае одновременно присутствуют оба вида погрешностей и , а общая погрешность оценивается двухзвенной формулой

    Определение варианта:

    1=0×24+0×23+0×22+0×21+1×20 ;

    Исходные данные:

    Марка операционного усилителя

    0

    14ОУД7

    1

    14ОУД8

    Схема включения

    0

    инвертирующая

    1

    неинвертирующая

    Сомножитель m

    0

    0,5

    1

    1

    Сомножитель A

    0

    50

    1

    80

    Температурный диапазон Tmin…Tmax,°С

    0

    -50…+50

    1

    -30…+10

    Сопротивление источника входного сигнала = 1 кОм;

    Коэффициент усиления с обратной связью , тогда .

     

    1.1Анализ инвертирующего усилителя постоянного тока

    В инвертирующем УПТ (рисунок 2) реализована отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению с параллельным способом введения. Это положение в значительной степени и определяет свойства схемы.

    Рисунок 2- Инвертирующий УПТ

     

    1.2 Расчёт и выбор элементов инвертирующего УПТ

    Резисторы схемы рассчитываются и выбираются следующим образом.

     

    R2 следует выбирать не более 1Мом, т.к. при больших значениях R2 начинает сказываться сопротивление изоляции между выводами резистора на печатной плате, которое зависит от чистоты поверхности, влажности, температуры и свойств защитного лака. Номинальное значение резистора выбирается в соответствии с рядом Е24.

     

    МЛТ-0,125-М91±5%

     

    ВозьмёмR2=910кОм, тогда R2:

     

    , тогда из ряда Е24 примем:

     

    МЛТ-0,125-36К±5%

     

    R1:

    , тогда из ряда Е24 примем:

     

    МЛТ-0,125-36К±5%

     

    R3:

    1.3 Расчёт погрешностей

    Расчёт мультипликативной составляющей погрешности

    В случае реального ОУ появляется мультипликативная погрешность. К источникам мультипликативных составляющих погрешностей УПТ, т.е. влияющих на , относятся изменения сопротивления резисторов и , изменение и изменение . Эти изменения в основном зависят от температуры кристалла операционного усилителя и элементов схемы.

    Влияние изменения сопротивления резисторов и можно оценить, положив, что все другие источники погрешностей отсутствуют

    (ТКС=0,001 1/К):

    .

    Влияние изменения коэффициента усиления операционного усилителя можно оценить по формуле:

    Относительное изменение коэффициента усиления операционного усилителя зависит от температурных свойств операционного усилителя.

    где - температурный дрейф коэф. усилителя.

    ,

    Влияние изменения входного сопротивления ОУ

    Общая мультипликативная погрешностьс учётом всех влияющих факторов:

    .

    Расчёт аддитивной составляющей погрешности

    Аддитивные погрешности УПТ приводят к появлению напряжения сдвига на выходе ОУ. Это явление может быть вызвано наличием входных токов смещения и их разности, напряжение смещения нуля, а также температурным дрейфом этих величин.

    Влияние напряжения смещения нуля и его температурного дрейфа оценим по формуле:

    ;

    ,

    где- наибольшее выходное напряжение, ограничивающее линейную часть амплитудной характеристики ОУ.

    .

    Напряжение смещения нуля можно скомпенсировать балансировкой операционного усилителя. Но наличие дрейфа скомпенсировать невозможно.

    Влияние дрейфа разности входных токов смещения:

    Если входные токи равнозначны, то их влияние практически устраняется подборкой сопротивлений резисторов:.

    Погрешность, вызванную разностью входных токов смещения можно, также как и напряжение смещения нуля, скомпенсировать балансировкой операционного усилителя.

    Нестабильность напряжения питания ОУ является причиной напряжения сдвига, а следовательно, и аддитивной погрешности

    ,

     

    где - изменение напряжений питания ОУ,

    ;

    (для нестабилизированного источника питания),

    - коэффициент влияния напряжений питания.

    .

    Даже равнозначное изменение напряжений питания приводит к дополнительной погрешности, аналогично появлению напряжения Uсм0.

    Общая аддитивная погрешность:

    .

    Результирующая погрешность:

     

    Погрешность при известном входном сигнале с учётом мультипликативной и аддитивной составляющих погрешности определяется по двухзвенной формуле

    где ,

    тогда

    1.4 Расчёт основных показателей схемы

    К основным параметрам, характеризующим свойства усилителей, кроме относятся входное сопротивление с обратной связью и выходное сопротивление с обратной связью .

    ;

    1.5 Построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики

     

    Частотные параметры УПТ определяют по амплитудно-частотным характеристикам, которые строится в логарифмическом масштабе в соответствии с уравнением

    где- коэффициент усиления при нулевой частоте ,

    - частота верхнего среза, т.е. такая частота при которой коэффициент усиления уменьшится в раз от своего максимального значения

     

     

     

    Рисунок 3 - Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

    2 Расчёт и проектирование усилителей с ёмкостной связью

    В некоторых случаях усиливаемый сигнал содержит переменную и постоянную составляющие, при чём информативной является только переменная составляющая на фоне значительной постоянной. Усилит переменную составляющую с помощью УПТ невозможно, т.к. усилитель окажется в насыщении под действием постоянной составляющей сигнала. Для устранения постоянной составляющей между источником сигнала и входом усилителя включают разделительный конденсатор.

    Возможны инвертирующая и неинвертирующая схемы включения ОУ.

    Определение варианта: 1=0×24+0×23+0×22+0×21+1×20 ;

    Исходные данные:

    Марка операционного усилителя

    0

    14ОУД8

    1

    14ОУД7

    Схема включения

    0

    инвертирующая

    1

    неинвертирующая

    Коэффициент частотных искажений М

    0

    1,2

    1

    1,1

    Нижняя рабочая частота f, Гц

    0

    20

    1

    80

    Коэффициент усиления с обратной связью для средних частот К(сч)

    0

    50

    1

    120

    2.1 Анализ инвертирующей схемы с ёмкостной связью

    Коэффициент усиления с обратной связью для схемы показанной на рисунке носит комплексный характер, в области низких частот определяется выражением

     

    Рисунок 4 - Инвертирующий усилитель с ёмкостной связью

     

    Модульзависит от частоты и постоянной времени входной цепи в области низких частот

    где - модуль коэффициента усиления в области средних частот.

    Эту зависимость называют амплитудно-частотной характеристикой, её

    строят в логарифмическом масштабе для области низких

    частот по уравнению

     

    где - частота нижнего среза.

     

     

    Рисунок 5 - Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя с ёмкостной связью

     

    Для удобства построения амплитудно-частотной характеристики аппроксимируется тремя прямыми:

    прямая 1 (рисунок 8.2) проводится параллельно оси частот на уровне , она соответствует диапазону средних частот

    прямая 2 соответствует области низких частот при

    ,

     

    эти прямые будут пересекаться в точке при .

    Прямая 3 соответствует области высоких частот, в которой зависит от частотных свойств операционного усилителя и определяется выражением

    ,

    где - частота верхнего среза,

    - частота единичного усиления.

    Точке пересечения прямых 1 и 3 будет соответствовать частота верхнего среза .

    Прямые 2 и 3 имеют угол наклона на декаду.

     

    К основным частотным параметрам для широкополосных усилителей относятся коэффициенты частотных искажений в области низких частот

     

    ,

    коэффициенты частотных искажений в области высоких

    .

     

    Входное и выходное сопротивления усилителя с ёмкостной связью определяются в области средних частот по выражениям

    , .

    2.2 Расчёт и выбор элементов схемы с ёмкостной обратной связью

    Резистор выбирается из условия:

     

    R2 =R3: МЛТ-0,125-100К±5%

    .

     

    Принимаем кОм.

    Затем рассчитывается и выбирается резистор :

    кОм;

     

    R1: МЛТ-0,125-2К±5%

     

     

     

    Далее производим проверку:

    R2 < Rвхоу ,

    100кОм<4МОм.

    Расчёт конденсатора в инвертирующей схеме производится по заданным и :

    ;

    .

     

    С1:К50 -29-10В -6М2 ±10% ±10%

     

     

     


    2.3 Расчёт параметров усилителя с ёмкостной связью

     

    =100кОм - входное сопротивление с обратной связью;

    - выходное сопротивление с обратной связью;

    - коэффициент усиления;

    - частота верхнего среза;

    - частота нижнего среза.

     

    2.4 Построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики.

     

    1)

    ;

    2)

    ;

    3)

    .

     

     

    Рисунок 6 - Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя с ёмкостной связью


    3 Расчёт и проектирование мультивибратора на основе ОУ

    Мультивибратор преобразует постоянное напряжение источника питания в периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы с заданными параметрами (амплитудной, длительностью, частотой следования и скважностью).

    Мультивибратор в большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов в системах импульсного действия.

    Определение варианта: 1=0×24+0×23+0×22+0×21+1×20 ;

    Исходные данные:

    Марка операционного усилителя

    0

    14ОУД7

    1

    14ОУД8

    Длительность импульса t, мс

    0

    20

    1

    2

    Длительность t, мс

    0

    1

    1

    10

    Сомножитель A

    0

    0,5

    1

    2

    Температурный диапазон Tmin…Tmax,°С

    0

    -50…+50

    1

    -30…+10

    Длительность паузы определяется как ; RH=5 кОм.

    3.1 Анализ схемы мультивибратора на основе ОУ

    Мультивибратор (рисунок 7) состоит из хронирующей цепи (резистора и конденсатора ), которая определяет временные параметры периодической последовательности прямоугольных импульсов и триггера Шмидта, представляющего собой операционный усилитель, охваченный положительной обратной связью через резисторы и.

    Рисунок 7 - Схема симметричного мультивибратора

     

    Временная диаграмма работы мультивибратора представлена на рисунке 8.

    При включении питания ОУ, напряжение на выходе принимает одно из значений: или . Рассмотрим случай, когда напряжение на выходе принимает значение , под действием которого через резистор заряжается конденсатор(интервал 0-1), напряжение на конденсаторе увеличивается, стремясь к . В точке 1 напряжение на конденсаторе принимает значение напряжения срабатывания , происходит переключение компаратора, напряжение на его выходе принимает значение . На интервале 1-2 из-за изменения полярности напряжения на выходе мультивибратора начинается процесс перезаряда конденсатора. Напряжение на конденсаторе уменьшается, стремясь к . В точке 2 напряжение на конденсаторе становится меньше напряжения отпускания , происходит переключение компаратора, напряжение на его выходе принимает значение .

     

    Рисунок 8 - Временная диаграмма работы мультивибратора

     

    Далее процессы заряда и разряда конденсатора продолжаются аналогичным образом. В результате на выходе мультивибратора формируются импульсы прямоугольной формы длительностью , с паузой и периодом следования .

    Процесс заряда описывается уравнением , решение которого имеет вид

    где - напряжение на конденсаторе при ;

    - напряжение на конденсаторе при .

    Для определения воспользуемся последним уравнением , в котором, как видно из временной диаграммы :

     

    Разрешая эти уравнения относительно , получим

     

     

    Для определения , поступая аналогично, получим

     

    Еслии ,

     

    Мультивибратор, у которого , а скважность , называют симметричным.

     

    Рисунок 9 - Варианты цепей заряда хронирующего конденсатора несимметричного мультивибратора:

    а - , b - , с – универсальный

     

    Для получения скважности заряд конденсатора производят по цепям, варианты которых показаны на рисунке 7, а, b, c.

    Поскольку сопротивление в цепи заряда конденсатора зависит от направления тока,

    то для цепи а:

    для цепи b:

     

    для цепи c:

     

    Временная нестабильность генератора определяется, в основном, постоянством параметров хронирующей цепи,

    где относительное изменение сопротивления резистора, которое зависит от температуры,

    относительное изменение ёмкости конденсатора,

    При расчете схемы следует соблюдать условия ограничения по предельным режимам работы операционного усилителя. Так дифференциальное и синфазное напряжения не должны превосходить допустимые значения

     

    Дифференциальное напряжение принимает наибольшее значение справа от точки 1, т.е. после переключения ОУ

     

     

    Если учесть, что ОУ не нагружен, то

     

    Отсюда следует, что при выборе резисторов и следует соблюдать неравенство

     

    Синфазное напряжение принимает наибольшее значение слева от точки 1, т.е. до переключения ОУ

    Выбор значений сопротивлений , , в схеме производят с учетом максимально допустимого тока операционного усилителя

     

    Выходной ток ОУ образуется из трёх составляющих: тока нагрузки , тока обратной связи и тока заряда ёмкости , который максимален в момент переключения ОУ.

    Если учесть, что , то

     

    В случае несимметричного мультивибратора это условие должно выполняться для наименьшего сопротивления зарядной цепи.

    Рисунок 10 - Схема несимметричного мультивибратора

     

    3.2 Расчёт и выбор элементов схемы мультивибратора

     

    Выбираем резистор порядка 10 кОм, чтобы не нагружать ОУ.

    Рассчитываемпо следующим неравенствам и выбираем наименьшее по таблице номинальных значений.

     

    ;

    ;

     

    R2: МЛТ–0,125–10К± 5%

    R1: МЛТ–0,125–2К ± 5%

     

     

    =2 кОм.

     

    Определяеми :

    Т.к., то ; мc;

    , .

     

    Т.к., то имеем следующий вариант цепи заряда хронирующего конденсатора несимметричного мультивибратора:

     

     

     

    Выбираем значение резистора R , близкое к максимальному значению для данного типа резисторов. Рекомендуется: С2-29 порядка 1МОм.

     

    Ёмкость конденсатора рассчитывается по наибольшей длительности - .

     

    R: С2-29В – 0.125 – 1М ±5%

    R’: С2-29В – 0.125 – 27К±5%

    C: КМ-4-Н30-59Н±30%

     

    нФ

    27кОм.

    3.3 Определение температурной нестабильности

    Температурная нестабильность определяется по формуле:

    ,

    где относительное изменение сопротивления резистора, которое в основном зависит от температуры;

    относительное изменение ёмкости конденсатора.

     

     

    =15,5%.

    3.4 Проверка мультивибратора на работоспособность

    Выбор значений сопротивлений , , в схеме производят с учетом максимально допустимого тока операционного усилителя:

    Условие работоспособности проверяется по выражению:

    мА < 5,5 мА

     

    Так как условие выполняется: выходной ток ОУ не больше максимально допустимого тока операционного усилителя, то, значит, мультивибратор работоспособный.


    Приложение

     

    Параметры операционных усилителей.

     

    скачать dle 10.6фильмы бесплатно

    Параметр

    Размер-ность

    Обозначение

    140УД7

    140УД8

    Напряжение питания

    В

    Еп1 , Еп2

    15

    15

    Ток питания при холостом ходе

    мА

    Iп

    2,8

    3

    Дифференциальный коэффициент усиления

    -

    Коу

    50000