Курсовой проект

"Расчет и проектирование электронных устройств на основе ОУ”

Вариант 16

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 9

1.5 Построение ЛАЧХ 9

2 Расчёт и проектирование усилителей с ёмкостной связью 11

2.1 Анализ неинвертирующей схемы с ёмкостной ОС 11

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 15

3.1 Анализ схемы мультивибратора на основе ОУ 15

3.2 Расчёт и выбор элементов схемы мультивибратора 16

3.3 Определение температурной нестабильности 18

3.4 Проверка мультивибратора на работоспособность 19

4 Принципиальная схема устройства 20

Приложение 21

Список использованной литературы 22

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.

Рис.1.1 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).

Наличие 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:

16=1×2⁴+0×2³+0×2²+0×2¹+0×2⁰

Исходные данные:

Сопротивление источника входного сигнала 1 кОм

Коэффициент усиления с обратной связью

1.1 Анализ инвертирующего усилителя постоянного тока

В инвертирующем УПТ (рис.1.2) реализована отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению с параллельным способом введения. Это положение в значительной степени и определяет свойства схемы.

Рис.1.2. Инвертирующий УПТ

1.2Расчёт и выбор элементов инвертирующего УПТ

Резисторы схемы рассчитываются и выбираются следующим образом

, где

мкВ

нА

Ом

В соответствии с рядом Е12 выбираем резистор R₂

:

кОм

В соответствии с рядом Е12 выбираем резисторR₁

Значения резисторов R₁ и R₂ должны удовлетворять следующим неравенствам:

кОм > кОм

МОм < МОм

Значение резистора определяют из условия уменьшения влияния входных токов смещения

Ом

В соответствии с рядом Е12 выбираем резистор R₃

Таким образом:

1.3 Расчёт погрешностей.

1.3.1 Расчёт мультипликативной составляющей погрешности

В случае реального ОУ появляется мультипликативная погрешность. Источники мультипликативных составляющих погрешностей УПТ, т.е. влияющих на легче определить, рассмотрев уравнение (*), к ним 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. Оценим как

, где

для выбранных резисторов ТКС=0,001, тогда

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 коэффициента усилителя.

- коэффициент обратной связи.

Влияние изменения входного сопротивления операционного усилителя

Общая мультипликативная погрешность с учётом всех влияющих факторов определяется как среднеквадратичная

1.3.2 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.

Погрешность от температурного дрейфа напряжения смещения нуля

определяется выражением

Влияние входных токов смещения, разности входных токов смещения и их дрейф.

Погрешности, обусловленные наличием разности входных токов

Остаётся погрешность от дрейфа разности входных токов смещения

где

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

где - изменение напряжений питания ОУ,

- коэффициент влияния напряжений питания.

Общая аддитивная погрешность оценивается как среднеквадратичная

1.3.3 Результирующая погрешность

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

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

где - коэффициент обратной связи.

кОм

Ом

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

;

Рис.1.3. 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. Усилить 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:

16=1×2⁴+0×2³+0×2²+0×2¹+0×2⁰

Исходные данные:

2.1 Анализ инвертирующей схемы с ёмкостной обратной связью.

Коэффициент усиления с обратной связью для схемы (рис.2.1) будет носить комплексный характер и в области низких частот определяется выражением

Рис.2.1. Инвертирующий усилитель с ёмкостной связью

2.2 Расчёт и выбор элементов схемы с ёмкостной обратной связью

Значение резистора выбирается из условия

В соответствии с рядом Е12 выбираем резистор R₂

Для уменьшения влияния входных токов смещения

Рассчитывается значение резистора

Ом

В соответствии с рядом Е12 выбираем резисторR₁

Расчёт конденсатора в инвертирующей схеме производиться по заданным коэффициенту частотных искажений и нижней рабочей точке

В соответствии с рядом Е12 выбираем конденсатор

2.3 Расчёт параметров усилителя с ёмкостной связью

- входное сопротивление с обратной связью

кОм

- выходное сопротивление с обратной связью

Ом

- частота верхнего среза

Гц

- частота нижнего среза

Гц

2.4 Построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики

Рис.2.2. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

инвертирующего усилителя с ёмкостной связью.

3Расчёт 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:

16=1×2⁴+0×2³+0×2²+0×2¹+0×2⁰

Исходные данные:

Длительность паузы: ;R_H=5 КОм

3.1 Анализ схемы мультивибратора на основе ОУ

Мультивибратор (рис.6) 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.

Рис.3.1. Схема симметричного мультивибратора.

Рис.3.2. Временная диаграмма работы мультивибратора

В соответствии с временной диаграммой работы мультивибратора (рис.3.2) на интервале происходит заряд конденсатора, справа от точки 1 напряжение , т.е. и напряжение на инвертирующем входе , следовательно, напряжение на выходе принимает значение . Причём переключение ОУ за счёт ПОС происходит с большой скоростью.

На интервале напряжение на конденсаторе изменяется под действием отрицательного напряжения , приложенного к RC цепи. Этот процесс продолжается до точки 2,в которой и напряжение на инвертирующем входе , следовательно, напряжение на выходе примет значения . Далее процессы заряда и разряда конденсатора продолжаются аналогичным образом. В результате на выходе мультивибратора формируется импульсы прямоугольной формы длительностью ,с паузой и периодом следования .

3.2 Расчёт и выбор элементов схемы мультивибратора

Выбираем значение резистора порядка 10кОм, чтобы не нагружать ОУ.

В соответствии с рядом Е12 выбираем резисторR₂

Рассчитываем по следующим неравенствам и выбираем наименьшее по таблице номинальных значений.

Выбираем наименьшее значение сопротивления, и в соответствии с рядом Е12 выбираем резистор R₁

:

Определяем и :

Т.к. , то

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

Выбираем термостабильный резистор С2-13 R=1МОм

:

Ёмкость конденсатора рассчитывается по наибольшей длительности и .

нФ=0,0124мкФ

В соответствии с рядом Е12 выбираем конденсатор

:

Определим значение сопротивления резистора ’

В соответствии с рядом Е12 выбираем резистор

3.3 Определение температурной нестабильности

Определить температурную нестабильность .

,

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

относительное изменение ёмкости конденсатора

3.4 Проверка мультивибратора на работоспособность

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

Проверим работоспособность по выражению:

А < А

Так как условие выполняется, то мультивибратор работает без сбоев.

4 Принципиальная схема устройства

1,5 – Баланс 2 – Инвертирующий вход 3 – Неинвертирующий вход 4 – Питание (-) 6 – Выход 7 – Питание (+) 8 –Частотная коррекция

Рис.4.1. Инвертирующий УПТ

2,6 –Баланс

3 – Инвертирующий

4 – Неинвертирующий вход

5 – Питание (-)

7 – Выход

8 – Питание (+)

Рис.4.2. Инвертирующий усилитель с ёмкостной связью.

Рис.4.3. Схема несимметричного мультивибратора.

Приложение.

Параметры операционных усилителей.

Список использованной литературы

1. Л.Н.Латышев. Расчет и проектирование электронных устройств на основе ОУ. УГНТУ. 2002.

2. Конспект лекций.

3. Горбачев Г. Н. Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника. – М.:

Энергоатомиздат, 1988.

4. Справочник по электрическим конденсаторам/Под ред. И. И. Четверткова –

М.: Радио и связь, 1983.

5. Ненайко А.Л., Геликман В.Ю. Конденсаторы и резисторы. – М.: Сов. Радио,1973.

6. Резисторы: Справочник/Под ред. И. И. Четверткова. – М.: Радио и связь, 1991.