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

20 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

21440. Понятие об устойчивости решений дифференциальных уравнений 673 KB
  Исследование на устойчивость некоторого решения Системы уравнений 1 может быть сведено к исследованию на устойчивость тривиального решения – точки покоя расположенной в начале координат. расположенной в начале координат точки покоя системы уравнений. Сформулируем условия устойчивости в применении к точке покоя . Точка покоя системы 5 устойчива в смысле Ляпунова если для каждого  можно подобрать  такое что из...
21441. Замечания по поводу классификации точек покоя 340.5 KB
  Следовательно при достаточно большом t точки траекторий начальные значения которых находятся в любой окрестности начала координат попадают в сколь угодно малую окрестность начала координат а при неограниченно приближаются к началу координат т. точки расположенные в начальный момент в окрестности начала координат при возрастании t покидают любую заданную окрестность начала координат т. Если существует дифференцируемая функция называемая функцией Ляпунова удовлетворяющая в окрестности начала координат условиям: 1 причем...
21442. Исследование на устойчивость по первому приближению 209.5 KB
  Напомним что исследование на устойчивость точки покоя системы 1 эквивалентно исследованию на устойчивость некоторого решения системы дифференциальных уравнений 2 т. при правые части системы 1 обращаются в нуль:. Будем исследовать на устойчивость точку покоя линейной системы 5 называемой системой уравнений первого приближения для системы 4. система 1 стационарна в первом приближении то исследование на...
21443. Дифференциальные уравнения с частными производными первого порядка 170 KB
  Линейным неоднородным уравнением или квазилинейным уравнением I порядка в частных производных называется уравнение вида: . 2 Это уравнение линейно относительно производных но может быть нелинейным относительно неизвестной функции Z. Если а коэффициенты Xi не зависят от z то уравнение 2 называется линейным однородным.
21444. Дифференциальные уравнения векторных линий 218 KB
  Выделим из двухпараметрического семейства векторных линий называемых характеристиками уравнения 3 или 6 предыдущей лекции PxyzQxyz=Rxyz3 6 произвольным способом однопараметрическое семейство устанавливая какуюнибудь произвольную непрерывную зависимость между параметрами С1 и С2 . Тем самым найден интеграл квазилинейного уравнения 3 предыдущей лекции зависящий от произвольной функции. Если требуется найти не произвольную векторную поверхность поля а поверхность проходящую через заданную линию...
21445. Приведение матрицы линейного оператора к канонической (жордановой) форме 623.5 KB
  Вектор называется присоединенным вектором оператора соответствующим собственному значению если для некоторого целого выполняются соотношения . Иными словами если присоединенный вектор порядка то вектор является собственным вектором оператора . Существует базис 1 образованный из собственных и присоединенных векторов оператора в котором действие оператора дается следующими соотношениями:...
21446. Обыкновенные дифференциальные уравнения 438.5 KB
  Функция называется решением (или интегралом) д.у., если она раз непрерывно дифференцируема на некотором интервале и при удовлетворяет уравнению. Процесс нахождения решения д.у. называется его интегрированием...
21447. Линейные дифференциальные уравнения I порядка 299.5 KB
  Линейным дифференциальным уравнением I порядка называется уравнение I порядка линейное относительно неизвестной функции и её производной. Если то уравнение 1 называется линейным однородным. В соответствии с этим методом в формуле 2 полагают тогда: Подставляем полученное соотношение в уравнение 1 будем иметь: или откуда интегрируя находим следовательно . Интегрируем соответствующее однородное уравнение т.
21448. Нормальные системы дифференциальных уравнений. Условие Липшица 267 KB
  Условие Липшица. Говорят что функция удовлетворяет условию Липшица в некотором интервале [b] если существует такое число 0 что для. Так функция удовлетворяет условию Липшица в окрестности x=0 но её производная в точке x=0 имеет разрыв. Если функция нескольких переменных удовлетворяет условию Липшица по каждой из этих переменных в соответствующем диапазоне их изменения т.