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

27 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

7866. Доходи, витрати і прибуток страховика 91.5 KB
  Тема 11. Доходи, витрати і прибуток страховика План 1. Склад і економічний зміст доходів та витрат страховика. 2. Визначення прибутку страховика. 3. Оподаткування страхових компаній. Рекомендована література Основна: Додатк...
7867. Фінансова надійність страхової компанії 99.5 KB
  Тема 12. Фінансова надійність страхової компанії План 1. Поняття фінансової надійності страховика та її значення. 2. Платоспроможність страховика, умови її забезпечення, оцінка. 3. Інвестиційна стратегія страхових компаній. 4. Превентивна діяльність...
7869. Общие цели и задачи дисциплины психология и педагогика 19.2 KB
  Общие цели и задачи дисциплины психология и педагогика Повышение общей психолого-педагогической культуры, формирование целостного представления о психологических особенностях человека для обеспечения успешности профессиональной деятельности инженеро...
7870. Этапы развития психолого-педагогических наук 19.66 KB
  Этапы развития психолого-педагогических наук План лекции: Древние цивилизации Эпоха средневековья Эпоха возрождения 18-21 век Развитие отечественной психологии и педагогики Древние цивилизации Первоначальные основы образования появились в странах др...
7871. Познавательные психические процессы 36.62 KB
  Познавательные психические процессы План: Понятие опознавательных психических процессов Чувственные формы освоения действительности Рациональные формы освоения действительности Понятие познавательных психических процессов Психологи...
7872. Эмоционально-волевая сфера человека 19.58 KB
  Эмоционально-волевая сфера человека. Чувства и эмоции Виды эмоциональных состояний Воля и волевая регуляция поведения Чувства и эмоции - взаимосвязанные, но различающиеся явления эмоциональной сферы личности. Эмоции - про...
7873. Психология личности. Современные теории личности 29.79 KB
  Психология личности Проблема личности в психологии Современные теории личности Психика и мозг Проблема личности в психологии Психолог Немов выделил соотношение понятий человек (родовое понятие, указывающее на принадлежность к выс...
7874. Психология личности. Темперамент, характер, способности 20.55 KB
  Психология личности Психика и организм Темперамент, характер, способности Роль темперамента в трудовой деятельности Психика и организм Источником информации о психике может служить не только внешность и особенности поведения, но и общая конституция ...