Разработка электронного функционального устройства, реализующего передаточную функцию
Введение
Целью настоящего курсового проекта
является разработка электронного функционального устройства реализующего
заданную передаточную функцию.
Разработка устройства включает в
себя проектирование принципиальной электрической схемы, разводку печатной
платы, расчёт области нормальной работы и расчёт показателей надёжности.
Дополнительно к разработанному
устройству составляется инструкция по эксплуатации.
Данные на курсовое проектирование
При курсовом проектировании следует
разработать электронное функциональное устройство реализующее переставленный на
рисунке 1.1 закон передачи.
Рисунок 1.1 – Структурная схема
устройства
Требования к разработке:
1. Разрабатываемое функциональное
электронное устройство должно реализовывать заданные передаточные функции с
максимально возможной точностью в широком частотном диапазоне (150…510Гц).
2. Устройство должно быть
реализовано на элементах отечественного производства, общепромышленного
назначения. Входные и выходные сигналы должны соответствовать требованиям ГСП
3. Устройство должно быть выполнено
на печатной плате с краевым разъемом. Блок питания находиться вне устройства и
не разрабатывается.
4. Каждому элемент у структурной
схемы соответствует 1 операционный усилитель. Устройство должно иметь 2
параметра настройки и 2 органа настройки. Органы настройки выполняются на
резисторах. Все функциональные конденсаторы принять равными 1 мкФ.
5. Устройство должно иметь выходной
каскад - ограничитель выходного напряжения. Уровень напряжения может
настраиваться.
6. Рассчитать область нормальной
работы устройства.
7. Графическая часть должна
содержать:
1. Принципиальную схему устройства
2. Печатная плата.
3. Сборочный чертеж.
Разработка принципиальной схемы
Указанный в задании закон может
быть реализован на операционном усилителе по схеме представленной на рисунке
2.1.
Рисунок 2.1 – Принципиальная схема
звена, реализованного на операционных усилителях
Идеальная передаточная функция
такого звена имеет вид
, (2.1)
где
; ;
Таким образом, при фиксированном
значении номинала конденсатора C1 (1 мкФ) функциональное устройство имеет два
параметра настройки: коэффициент усиления (R1) и постоянная времени (R3).
Статический и динамический расчет
Формирующее устройство на
операционном усилителе показано на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Формирующее устройство
на операционном усилителе
Идеальная передаточная функция
формирующего устройства на операционном усилителе при условиях
;
;
имеет вид
.
Реальная передаточная функция
формирующего устройства на операционном усилителе
.
Реальная передаточная функция
найдена путем решения системы уравнений, составленных по закону Кирхгофа
(3.1)
Исключая ненужные переменные токи
;
(3.2)
Если устремить и к бесконечности, то мы придем к выводу, что
переходная функция совпадает с переходной функцией для идеального варианта.
Следовательно, необходимо выбрать
операционный усилитель с как можно большим коэффициентом усиления и входным
сопротивлением.
Реальное комплексное сопротивление
утечки конденсатора имеет вид
.
где .
Для структурной схемы, приведенной
на рисунке 1.1, идеальная передаточная функция имеет вид
.
Реальная передаточная функция
реального дифференцирующего звена
; (3.3)
; (3.4)
; (3.5)
Подставив (3.4), (3.5) в (3.2)
имеем передаточную функцию реального звена
. (3.6)
Выбор электронных элементов схемы и
конструирование печатной платы
Выбор элементов
Операционный
усилитель
В качестве операционного усилителя
выбрана микросхема КР1446УД14 обладающая следующими параметрами:
Входное сопротивление () – 1000 мОм.
Напряжение питания – 15 В 10%
Напряжение смещения – 10 мВ.
Тип корпуса – DIP 201.14-2 (19×6,6
мм).
Рисунок 4.1 – корпус КР1446УД14
Рисунок 4.2 – распределение выводов
Конденсаторы
В качестве конденсатора C1 выбран
металлобумажный конденсатор типа C-K-50-80 обладающий большим сопротивлением
утечки ()1 000 000 Ом;
Резисторы
В качестве переменных резисторов
применены резисторы типа СП3-18a.
В качестве постоянного резистора
выбран малогабаритный резистор с мощностью рассеивания 0,25 Вт (P1-28).
Описание принципиальной
электрической схемы
Принципиальная электрическая схема
разработанного электронного функционального устройства приведена на листе
КАПП.220201.108.Э3 курсового проекта.
Операционный усилитель DA1,DA2,DA3
совместно с элементами C1,R1,R2,R3,R4,R5 образует смешанное звено с заданным
видом передаточной функции. При этом подстроечные резисторы R1 и R3 позволяют
настраивать, соответственно, постоянную времени и коэффициент усиления звена.
Подключение разработанного
функционального устройства выполняется через концевой разъём XC1.
Печатная
плата
Чертёж печатной платы устройства и
сборочный чертёж приведены на листах КАПП.220201.108 и КАПП.220201.108.СБ
данного курсового проекта.
Расчёт
надёжности проектируемого устройства
Расчёт надёжности проектируемого
устройства сводится к определению вероятности безотказной, среднего времени
безотказной работы и интенсивности отказа. Вероятность безотказной работы
устройства за 1000 часов определена при условии, что закон распределения
экспоненциальный, а интенсивность отказов элементов, входящих в устройство,
соответствует значениям приведённым в таблице 5.1.
Среднее время безотказной работы
устройства
На рисунке 5.1 показана плотность
вероятности безотказной работы комплекта.
Рисунок 5.1 – График зависимости
вероятности безотказной работы от времени
Расчет области нормальной работы
устройства
Расчет АЧХ и ФЧХ реальной и
идеальной систем с параметрами R1 и R3
Расчет будем вести используя
параметры:
R3=10000 Ом
R1=50000 Ом
С= 0,000001 Ф
Rвх= 1000000 Ом
Коу= 30000
Рисунок 6.1 – График
амплитудно-частотной характеристики идеального и реального устройства.
Рисунок 6.1 – График
фазово-частотной характеристики идеального и реального устройства.
-область нормальной работы найденная по АЧХ
-область нормальной работы найденная по ФЧХ
Область нормальной работы
устройства начинается с
Инструкция по эксплуатации
Общие сведения
Разработанное функциональное
электронное устройство представляет собой реальное дифференциальное звено.
Прибор предназначен для
использования лабораторных и производственных условиях.
Хранение
устройства
Длительное хранение устройства
должно осуществляться в отапливаемых, хорошо вентилируемых помещениях при
температуре от плюс 10 °С до плюс 55 °С, и относительной влажности не более
80%. В воздухе помещений не должно быть пыли, а также газов и паров, вызывающих
коррозию.
Условия
эксплуатации
Устройство рассчитано на работу при
температуре от минус 10 °С до плюс 50 °С и относительной влажности до 80%.
Монтаж
устройства
Установка собранного и
предварительно отлаженного устройства производится при отключённом напряжении
питания. Устройство крепится в требуемом месте на 4-х винтах.
Настройка
устройства
Переменным резистором R1 установить
требуемый коэффициент усиления устройства, а переменным резистором R3 –
постоянную времени дифференцирования.
Заключение
Полученное устройство можно
применять в качестве регулятора с настраиваемыми параметрами Т и К.
В данной работе были изучены
возможные схемы использования операционных усилителей, а также получение с
помощью них стандартных звеньев.