49043

Расчёт и моделирование частотно-избирательного усилителя

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Еще один буферный каскад должен согласовывать последний УК с входным сопротивлением RCфильтра и еще один – на полевом транзисторе – с высоким выходным сопротивлением датчика. Итого схема будет состоять из датчика трех буферных каскадов двух усилительных RCфильтра и нагрузки. Схема будет состоять из датчика 4х каскадов усиления одного буферного каскада для согласования с RCфильтром RCфильтра.

Русский

2013-12-20

712.5 KB

19 чел.

Министерство образования и науки РФ

Пензенский государственный университет

Кафедра: “Автономные информационные и управляющие системы”

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по теме

“Расчёт и моделирование частотно-избирательного усилителя.”

Дисциплина Схемотехническое проектирование

электронных узлов взрывателей

Группа 09ПВ1

                                                                         Разработал: студент Сайков Д. С.

                                                                                                       

                                                                       Работа принята с оценкой ______

                                                                  Руководитель работы:  Вольсков А. А.

Пенза 2012


СОДЕРЖАНИЕ

  1.  Задание на курсовое проектирование……………………………………3

2. Анализ задания и построение структурной схемы……..…….................4

3. Расчет элементов схемы ………………………………………………….6

3.1  Расчет усилительного каскада.……….…………...…......................6

3.2  Расчет буферного каскада.…………..…………….…………..........8

3.3 Расчет ARC- фильтра……………………………...…….................10

4. Экспериментальная часть ………………………………………………14

5. Заключение……………………………………………….……................17

6. Список использованных источников……………………….…..............18

   Приложение А …………………………………………………………...19

  1.  
    Задание на курсовое проектирование.

Исходные данные:

  1.  Амплитуда выходного напряжения датчика ec=12 мВ;
  2.  Выходное сопротивление датчика Ri=200 кОм;
  3.  Амплитуда напряжения на резисторе нагрузки URн=2.2 В;
  4.  Активное сопротивление нагрузки Rн=6 кОм;
  5.       Ёмкость нагрузки Сн=0.05 пФ
  6.       Нижняя частота среза АЧХ усилителя fн=0.1 кГц;
  7.       Входная емкость усилителя Свх=60 пФ

Согласно заданию усилительное устройство должно содержать ARC-фильтр. Активный фильтр необходим, чтобы очищать сигнал от помех, которые снимает датчик вместе с полезным сигналом, а так же от шумов, создаваемых активными элементами устройства. Согласно данному варианту необходимо спроектировать фильтр НЧ (аппроксимация по Чебышеву) на операционном усилителе используя следующие исходные данные:

  1.  Частота среза fс=8 кГц;
  2.  Частота задержания fз=16 кГц;
  3.  Нормированный коэффициент передачи на частоте среза Мс=-1 Дб;
  4.  Нормированный коэффициент передачи на частоте задержания Мз=-20Дб.
    2. Анализ задания и построение структурной схемы.

Большинство усилительных устройств представляют собой сложные устройства, в которых входной сигнал последовательно усиливается рядом отдельных ступеней, называемыми усилительными каскадами.

Усилительное устройство призвано решать следующие задачи:

- согласование усилителя с датчиком,

- согласование усилителя с нагрузкой,

- обеспечение заданного коэффициента усиления,

- формирование заданной частотной характеристики.

Параметры и характеристики многокаскадного усилителя определяются:

- коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

- АЧХ многокаскадного усилителя находят по АЧХ отдельных каскадов.

- сдвиг фазы многокаскадного усилителя складывается из сдвигов фазы отдельных каскадов.

Исходя из исходных данных (напряжение с датчика ec=12 мВ, сопротивление датчика Ri=200 кОм, напряжение на нагрузке URн=2.2 В, сопротивление нагрузки Rн=6 кОм) составим структурную схему устройства.

Между каждым блоком схемы поставим разделительный конденсатор Ср, чтобы исключить взаимное влияние каскадов по постоянному току так, как известно, что конденсатор в установившемся режиме имеет бесконечно большое сопротивление постоянному току и бесконечно малое – переменному. Таким образом, с выхода каждого каскада буду выходить только сигналы переменного тока. Так же поставим один буферный каскад для согласования с нагрузкой.

Согласно  заданию добавляем усилитель и  ARC – фильтр. Фильтр необходим, чтобы очищать сигнал от помех, которые снимает датчик вместе с полезным сигналом. Также определенной степенью шумов обладают и сами элементы схемы.

 

Рисунок 1 – Структурная схема

Рассчитаем коэффициент усиления схемы k

Исходя из схемы

Чтобы обеспечить такой коэффициент усиления на биполярных транзисторах необходимо ставить два усилительных каскада по схеме с ОЭ, причем их следует разделять буферным каскадом для правильного согласования. Еще один буферный каскад должен согласовывать последний УК с входным сопротивлением ARC-фильтра и еще один – на полевом транзисторе – с высоким выходным сопротивлением датчика. Итого схема будет состоять из датчика, трех буферных каскадов, двух усилительных, ARC-фильтра и нагрузки.

Здесь рациональнее использовать усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с ОИ. Для такой схемы высокое входное сопротивление каскада с ОИ позволяет включать его с датчиком без использования БК. Аналогично, другим преимуществом является согласование по напряжению каскадов по схеме с ОИ без использования буферных каскадов. Но усилительные свойства каскада по схеме с ОИ имеет отличается худшим усилением, чем усилительные свойства каскада на биполярном транзисторе. Поэтому необходимо использовать схему из большего числа усилительных каскадов, чтобы обеспечить необходимое усиление.

Схема будет состоять из датчика, 4-х каскадов усиления, одного буферного каскада для согласования с ARC-фильтром, ARC-фильтра.

Определим мощность рассеивания на сопротивлении нагрузки.

Такую мощность можно обеспечить транзистором малой мощности.

Выберем транзистор импортного производства BF245C.

3. Расчет элементов схемы

3.1 Расчет усилительного каскада.

Рисунок 2 – Схема усилительного каскада

Выберем напряжение питания En = 12В для всех каскадов.

Постоянная составляющая Uc-u0 = En/2 = 6В.

Выберем среднее из допустимых значений

По второму закону Кирхгофа для контура составим уравнение, для нахождения сопротивлений и :

По ряду номиналов выбираем ,

Рассчитаем емкость разделительных конденсаторов.

(емкость нагрузки),  (емкость датчика)

Найдем коэффициент усиления данного усилительного каскада.

3.2 Расчет буферного каскада.

Рисунок 3 – Схема буферного каскада.

В качестве буферного каскада для согласования всего усилителя с нагрузкой возьмем схему включения полевого транзистора с общим стоком (истоковый повторитель).

 

Примем напряжение питания  согласно соотношению:

 

Рассчитаем постоянную составляющую по выражению:

 

где Uз-и отс – справочный параметр транзистора, Uз – напряжение запаса, обеспечивающее работу транзистора в рабочей области стоковых характеристик (обычно 0,5 В); при этом должно выполняться условие:

.

 

 

По характеристикам транзистора найдем напряжение Uз-и0, соответствующее току Iи0 = Iс0 и рассчитаем .

(Из ряда Е24 )

Определим амплитуду тока истока:

,

где .

Рассчитывается постоянная составляющая тока истока:

,

где k – коэффициент запаса (0,7…0,9); при этом должно соблюдаться условие:

.

Входное сопротивление ИП практически определяется резистором Rз, которое выбирается из условия: , где  – выходное сопротивление предыдущего каскада. Обычно Rз > 100 кОм. Выходное сопротивление каскада примерно равно 1/S.

Для данного транзистора ,

Возьмем

Емкости разделительных конденсаторов были рассчитаны ранее.

3.3 Расчет ARC-фильтра (Аппроксимация по Чебышеву).

Для реализации ARC-фильтра существуют различные схемы. Наиболее простыми и, вместе с тем, надежными, являются схемы с многопетлевой обратной связью (с МОС) и схемы на источниках напряжения управляемых напряжением (на ИНУН). Данные схемы предназначены для следующих условий применения:

  •  коэффициент усиления звена K  10;
  •  добротность звена Q  10;
  •  для небольших значений добротности Q коэффициент усиления K может быть выше при выполнении условий KQ  100 и Q  10.

Для реализации нашего фильтра выберем схему на ИНУН. Будем использовать идеальный ОУ, поскольку на практике свойства фильтра приближаются к идеальному.

Определим минимальный порядок фильтра, обеспечивающего требуемый вид АЧХ. Для фильтра Чебышева минимальный порядок фильтра определяется по выражению

,

где arch ()  гиперболический арккосинус.

Рассчитаем порядок фильтра для следующих характеристик АЧХ фильтра:

 с = -1 дБ,

 з = -20 дБ,

fс = 8000 Гц,

fз = 16000 Гц.

Полученное значение округлим в большую сторону. Округляя полученное значение в большую сторону, получаем  

Вычислим полюсы передаточной функции. Порядок фильтра n нечетный. Фильтр кроме комплексно-сопряжённых полюсов будет иметь еще один действительный отрицательный полюс. Для нахождения полюсов необходимо найти корни характеристического уравнения передаточной функции фильтра. Характеристическое уравнение получается при приравнивании нулю знаменателя передаточной функции: D(p) = 0. Соответствующий полином знаменателя берем из таблицы «Нормированные полиномы знаменателя фильтров Чебышева с неравномерностью коэффициента передачи 1 дБ»:

   Решая уравнение D(p) = 0, получаем 3 полюса передаточной функции:

,

Рассчитаем собственные нормированные частоты, добротности и коэффициенты затухания пар комплексно-сопряжённых полюсов.

;

;

Действительный полюс характеризуется только собственной нормированной частотой

;

Фильтр будет состоять из двух звеньев: второго  и первого порядка. Для первого звена выберем схему ФНЧ второго порядка на ИНУН и рассчитаем её.

Рисунок 4 – Схема ФНЧ второго порядка

Частотная передаточная функция фильтра определяется выражением:

Найдем значение емкостей.

нФ

Значение емкости С1 выбираем исходя из условия:

нФ

Вычислим значения сопротивлений по формулам:

; кОм;

, кОм;

Так как выбран коэффициент передачи К=1, то сопротивление R3 заменяется разомкнутой, а R4 – короткозамкнутой цепью.

Полученные расчетные значения необходимо округлить в ближайшую сторону до значений из стандартного ряда номиналов E24.

Таким образом, в результате расчета имеем:

С1 = 0,075 нФ, С2 = 1,3 нФ, R1 = 62 кОм, R2 = 68 кОм.

Для второго звена выберем схему ФНЧ первого порядка на ИНУН и рассчитаем ее.

Рисунок 5 – Схема ФНЧ первого порядка

Звено представляет собой пассивный RC-фильтр первого порядка, выход которого соединён с входом буферного каскада – в данном случае операционного усилителя в неинвертирующем включении. Данное звено может иметь большой коэффициент усиления и в том случае, если требуется получить значительный коэффициент усиления всего фильтра, на звено первого порядка можно возложить основную функцию усиления.

Частотная передаточная функция фильтра определяется выражением

.

Выберем номинальное значение ёмкости С1.

нФ

Вычислим значения сопротивлений по формулам:

; кОм;

Так как выбран коэффициент передачи К=1, то сопротивление R2 отсутствует, а R3 заменяется короткозамкнутой цепью, т.е. схема работает на повторителе напряжения.

Полученные расчетные значения необходимо округлить в ближайшую сторону до значений из стандартного ряда номиналов E24.

(C1=1.3 нФ, R1=33 кОм)

4. Экспериментальная часть

Рисунок 6 – Схема устройства

Рисунок 7 – Показания осциллографа

Рисунок 8 – АЧХ усилителя с маркером на частоте, соответствующей Kumax


Рисунок 9 – АЧХ усилителя с маркером на частоте среза

Рисунок 10 – АЧХ фильтра с маркером на частоте среза

Рисунок 11 – АЧХ фильтра с маркером на частоте задерживания


5. Заключение

В результате выполнения курсовой работы был произведены конструирование и расчет электронного устройства с заданными параметрами. Были выбраны марки резисторов, конденсаторов, транзисторов и операционного усилителя.

В результате расчета фильтра нижних частот 2-го порядка была получена АЧХ, которая полностью соответствует заданным требованиям.

Была проделана работа, результаты которой в целом показали полное выполнение требований задания.


6. Список используемой литературы.

  1.  Курс лекций: «Схемотехническое проектирование электронных узлов взрывателей», Вольсков А.А.
  2.  «Проектирование и расчет усилителей и активных фильтров», учебное пособие, Пенза 2011, Филлипов Е.А., Вольсков А.А.

3.  “Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры”. Под ред. Р.Г. Варламова. М., «Сов. радио», 1973. – 856с., ил.

4.   “Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам” / Горюнов Н.Н., Клейман А.Ю., Комков Н.Н. и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – 5-е изд., стереотипное. – М.: Энергия, 1979. 744с., ил.

5.  В. А. Иванов, Г. Т. Гордин, А. А. Кичкидов, «Электронные устройства в системах управления средствами поражения и технический средствах охраны объектов», Пенза 2001г.


Приложение А

(обязательное)

Электронное устройство.

Схема электрическая принципиальная.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21575. Проблема культурного развития ребенка 20.61 KB
  Ключевые слова : Психологические процессы Память Примитивный ребенок Линии психологического развития Культурный прием поведения Стадия Для правильной постановки проблемы культурного развития ребенка имеет большое значение выделенное в последнее время понятие детской примитивности. Выделение детской примитивности как особой формы недоразвития может способствовать правильному пониманию культурного развития поведения. задержка в культурном развитии ребенка бывает связана большей частью с тем что ребенок по какимлибо внешним или...
21576. Фрейд З. Я И ОНО. Сознание и бессознательное 18.78 KB
  Я И ОНО. Напротив характерно то что состояние осознательности быстро проходит; осознанное сейчас представление в следующий момент делается неосознанным но при известных легко осуществимых условиях может снова вернуться в сознание в промежутках оно было бессознательным. К этому Я прикреплено сознание оно владеет подступами к разрядке раздражений во внешний мир. сознательным может стать только то что когдато уже было СЗ восприятием и что помимо чувств изнутри хочет стать сознательным; оно должно сделать попытку превратиться во...
21577. Развитие личности: психосексуальные стадии по З. Фрейду 21.44 KB
  Ключевые слова: Стадии: оральной анальной фаллической и генитальной. В акте сосания эротический компонент получавший удовлетворение при кормлении грудью становится самостоятельным отказываясь от постороннего объекта и замещая его какимнибудь органом собственного тела [7;163] В течение второй половины первого года жизни начинается вторая фаза оральной стадии – оральноагрессивная или оральносадистическая фаза. Фрейд утверждал что все будущие формы самоконтроля и саморегуляции берут начало в анальной стадии.
21578. КАРСТ И КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА 42 KB
  КАРСТ И КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА 6. Поверхностные карстовые формы 6. Подземные карстовые формы 6. КАРСТ И КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА Карст совокупность специфических форм рельефа и особенностей наземной и подземной гидрографии свойственной областям сложенным растворимыми горными породами каменная соль гипс известняк доломит и др.
21579. АБРАЗИЯ И АБРАЗИОННЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА 174.5 KB
  Абразионный тип берегов 7. Аккумулятивные формы береговой зоны 7. Полезные ископаемые морских берегов 7. Различают три вида абразии: а механическая разрушение пород под действием ударов волн и бомбардировки обломочным материалом; б химическая разрушение коренных пород берегов и берегового склона в результате растворения их морской водой; в термическая разрушение берегов сложенных мёрзлыми породами или льдом в результате отщепляющего действия морской воды на лёд.
21580. ЛЕДНИКОВЫЙ РЕЛЬЕФ И ЛЕДНИКОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ 94.5 KB
  Обломочный материал переносимый и откладываемый льдом образует морены. Различают: подвижные морены переносимые льдом; отложенные морены различные типы ледниковых отложений; морены как формы аккумулятивного ледникового рельефа. Основные морены состоят из самых разнообразных по размеру частиц от глинистых до валунных. С удалением от области ледниковой денудации в составе морены увеличивается количество пылеватого материала и заметно уменьшается величина валунов.
21581. РЕЛЬЕФ И ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 104.5 KB
  Планетарные и тектонические формы рельефа 9. Вулканические формы рельефа 9. Псевдовулканические формы рельефа 9. Планетарные и тектонические формы рельефа Наболее крупными величайшими формами рельефа планеты являются материковые выступы и океанические впадины.
21582. НЕОТЕКТОНИКА И РЕЛЬЕФ 52.5 KB
  Геоморфологические методы исследования новейших структур и движений 10. Геофизичекие аэрокосмические и другие методы изучения неотектоники 10. Геоморфологические методы исследования новейших структур и движений Выражение структур в облике земной поверхности обуславливается следующими факторами: спецификой геометрии структур размерности морфологии плановых очертаний; спецификой проявления экзогенных процессов изменениями морфологии и строения экзогенных форм рельефа под влиянием растущей структуры; составом свойствами и...
21583. МЕТОДЫ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 44.5 KB
  Морфографические методы основаны на непосредственном наблюдении внешнего облика форм и элементов рельефа выявлении их особенностей и типических черт с целью морфологической классификации и описания а также изучения их пространственных взаимосвязей. Морфометрические методы основаны на применении количественных критериев к анализу форм рельефа и соответствующего генетического истолкования получаемого результата. Стратиграфический метод предназначен для установления геологического возраста отложений и форм рельефа....