Проектирование усилителя с устройством измерения частоты

Техническое задание

Спроектировать электронное устройство в состав, которого входит электронный усилитель электрического тока, устройство усиления частоты усиливаемого им сигнала, а также вторичный источник напряжения питания. У электронного усилителя тока выходной сигнал подается на один из двух выводов - сигналы на них появляться в зависимости от значений управляющих напряжений a,b,c,d и выполнения заданного для каждого варианта логического уравнения. При его выполнении выходной электрический ток снимается с выхода 1. При невыполнении уравнения - с выхода 2. Электронное устройство питается от промышленной сети U=220B10% , 50 Гц.

Параметры :

Проектирование усилителя напряжения. Проектирование входной части усилителя

Для расчета входной части возьмем схему инвертирующего включения операционного усилителя, представленную на рис.1, так как она обеспечивает достаточную точность и стабильность коэффициента усиления. Входной резистор R₀ является преобразователем напряжение ток и является входным сопротивлением для всей схемы.

рис.1

В качестве операционного усилителя используется NE5539. Используем ЛАЧХ усилителя из приложения 1 для оценки коэффициента усиления на граничных частотах. _yu(50000)=55Дб =563_yu (50) = 55Дб = 563

Зададим для входной части коэффициент усиления равный 5. Тогда в соответствии с номинальным рядом Е192 выберем резисторы серии USR 2-0710 с классом точности 0.005% R₂ = 75 кОм,R₁ = 15 кОм.

Резистор R₃ введен для уменьшения дифференциального постоянного сигнала, который появляется на входе микросхемы при температурном изменении токов.

= 12,5 кОм

С учетом Е192 выберем резистор серии USR 2-0710 с классом точности ±0.005% R₃=12,4 кОм.

Входной резистор выберем из серии FPR 2-1617 с классом точности ±0.25%

Погрешность входного сопротивления меньше указанной в задании 1,5%.

Рассчитаем погрешность коэффициента усиления вызванную погрешностью резисторов:

Рассчитаем коэффициент частотных искажений.

(w_н)== -5,0006(w_в)== -5,0006

= 1

Расчет делительных RC цепочек.

Будем опираться на значения нижней и верхней граничной частоты.

Для верхней граничной.(рис.2)

рис.2

Также частота среза в (3..5)раз больше частоты полосы пропускания (возьмём в 5 раз больше):

Выберем номинал резистора R₄ из ряда Е192 серии USR 2-0710, параметры которого:

Номинал: 2 кОм;;

точность: ±0,005%.

Тогда ёмкость конденсатора будет рассчитываться как:

Выберем номинал конденсатора С₁ из ряда Е192, параметры которого:

номинал: 32нФ;

точность: ±0,5%.

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте:

=1,00001 где K_проп=1,

=0,999988

Для нижней граничной частоты, срез зависит от конденсатора (рис.3)

рис.3

Также частота среза в (3..5)раз меньше нижней частоты полосы пропускания (возьмём в 5 раз меньше):

Выберем номинал резистора R₅ из ряда Е192 серии USR 2-0710, параметры которого: номинал: 2 кОм;

точность: ±0,005%.

Тогда ёмкость конденсатора будет рассчитываться как:

Выберем номинал конденсатора С₂ из ряда Е192, параметры которого:

точность: ±0,5%.

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:

=1.00000199, где K_проп=1,

=0,9999

Проектирование промежуточной части усилителя

Согласно техническому заданию с учетом входного сопротивления и входного каскада , коэффициент усиления в промежуточной части усилителя должен быть 100. Для этого возьмем два каскада на ОУ NE5539 K_K1 = 10, K_K2 = 10. Разбиение промежуточной части на каскады целесообразно для уменьшения погрешности усиления и коэффициента частотных искажений. Сопротивления будем брать из номинального ряда Е 192 серии USR 2-0710.

электронный усилитель частотомер сигнал

рис.5

Рассчитаем каскады по формуле коэффициента усиления для инвертирующего усилителя

,

где = 6,9

Для первого каскада:₆ = 11кОм; R₇ = R₆ K_K1 = 110 кОм; R₈ = R₇||R₆ = 10 кОм

Для второго каскада:₉ = 11 кОм; R₁₀ = R₉× K_K2 = 110 кОм; R₁₁ = R₁₀||R₉ = 10 кОм

Рассчитаем погрешность коэффициента усиления вызванную погрешностью резисторов. Так как все резисторы взяты из серии USR 2-0710 классом точности 0,005% тогда:

Рассчитаем коэффициент частотных искажений:

Для коэффициента усиления, равного 10:

= 0.09090909

= 0.90909091

= -9,99894

= -9.99894

= 1

= 1

Проектирование выходной части усилителя

Согласно техническому заданию выходной ток должен быть 15 мА. Этому условию удовлетворяет микросхема LM343, электрические параметры которой приведены в приложении 2. Входной сигнал подаем на инвертирующий вход (рис.4).

рис.4

Резисторы R₁₂ и R₁₃возьмем равными 10 кОм. Тогда резистор R₁₄ будет равен R₁₂||R₁₃ = 5 кОм.

Рассчитаем значение выходного сопротивления.

R_{вых. ОУ}=50 Ом

R_вых = Ом

Что удовлетворяет условию технического задания R_вых>10000 Ом.

Рассчитаем погрешность коэффициента усиления вызванную погрешностью резисторов. Так как все резисторы взяты из серии USR 2-0710 классом точности 0,005% тогда:

Погрешность усиления вызванная погрешностью резисторов всего усилителя:

,

что меньше указанной в техническом задании.

Рассчитаем коэффициент частотных искажений:

g=1, так как R₁₃=R₁₂

K_yu(w_н)=562341 K_yu(w_в)=563

K(w_в)== -0,9982

K(w_н)== -0,999998

=1.00177

Коэффициент частотных искажений всего усилителя на верхней граничной частоте:

M_в=M_в.вх×Mв.пром× Mв.вых= 1,00177

Проектирование логического блока

Функция логического блока

Упрощая данную функцию, получим

Таблица истинности для функции (табл.1):

В качестве инверторов будем использовать микросхему Sn7404N, а в качестве элемента «И-НЕ» микросхему SN5412W.

Схема логического блока(рис.5)

Рис. 5

Так как уровни напряжения a,b,c,d 0…20 B, а максимальное входное напряжение для микросхем серии SN74 7В то необходимо поставить делители напряжения. ====35.2 кОм ====15 кОм

Номиналы резисторов взяты в соответствии с рядом Е 192, резисторы серии USR 2-0710 с классом точности 0.005%.

U_вых==5,976В

Проектирование частотомера

Электронно-счётный частотомер, предназначен на подсчёте числа импульсов измеряемого сигнала.

рис.6

-C-цепочка предназначена для подачи на вход R СДИ кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора. Время разряда конденсатора t должно быть гораздо меньше по сравнению с величиной 1/f_в=0,00002 с. Зададим t=0,0000001 с. Так как t=R×C, R зададим 10 кОм, тогда С=10 пФ.

Мультивибратор (генератор напряжения прямоугольной формы), построенный на интегральном таймере NE555D (рис. 7).

рис. 7

В этой схеме включения конденсатор С₃ заряжается через резисторы R₂₄ и R₂₅ до напряжения U₂=2×U_П:3, а разряжается через резистор R₂₄ до напряжения U₂=U_П:3.

Длительность зарядки конденсатора t₁=0.693×(R₂₄+R₂₅)×C₃, а длительность разряда конденсатора t₂=0.693×R₂₅×C₃. Так как время индикации больше времени счета, то за время индикации примем t₁, за время счета - t₂, а на выходе мультивибратора поставим инвертор.

Возьмем C₃=3.3 мкФ, R₂₅=330 кОм, R₂₄=6.19 мОм. Тогда t₁= 14,917 с, t₂=1,089 с.

Формирователь. В цифровых устройствах на микросхемах высокую роль играют формирователи импульсов. Данный формирователь построен таким образом: в качестве ОУ выбрана схема NE5539 (приложение 1), ограничитель будет основан на пассивных элементах с использованием диода (КД522А) и стабилитрона (Д808).

Рис.8 DD6 - К561ТЛ1, R₂₃=10кОМ

Счётчик + дешифратор + индикатор.

СДИ - микросхема К490ИП1 - счетчик, дешифратор, индикатор. В частотомере используется 5 таких микросхемы, так как верхняя частота диапазона - 50000 Гц.

Частотная диаграмма(рис.9):

рис.9

Блок питания. Источник электропитания должен обеспечить питание усилителя и частотомера, для аналоговых микросхем ОУ NE5539, IH5051 и LM343 +15 В и -15 В, для счетчиков и мультивибратора +9 В, для индикаторов, логических микросхем +5 В.

Суммарная мощность 2007,27 мВт.

Суммарный потребляемый ток данных микросхем и нагрузки усилителя:

Потребляемый ток на +15 и -15- 34 мА

Потребляемый ток на +9- 5 мА

Потребляемы ток на +5- 8 мА

Исходя из этого параметра выберем трансформатор ТПП226-127/220-50 мощностью 5,5 В×А, напряжением вторичных обмоток 20 В, 20 В, 20 В и 20 В, номинальным током во вторичных обмотках 0,063A.

Для выпрямления напряжения питания будем использовать:

- для U_пит1=+15 В - микросхему Mc7815;

- для U_пит2=-15 В - микросхему Mc7815;

- для U_пит3=+9 В - стабилитрон Mc7809;

- для U_пит4=+5 В - стабилитрон Mc7805;

Конденсаторы C₆,C₈,C₁₀,C₁₂ возьмем по 0,33 мкФ, а C₇,C₉,C₁₁,C₁₃ по 0,1 мкФ. Эти конденсаторы нужны для увеличения постоянной составляющей напряжения, питающего микросхемы. Все конденсаторы большой емкости, поэтому необходимо брать электролитические конденсаторы.

Схема блока питания рис.10

рис.10

Заключение.

В данной работе был спроектирован и рассчитан измерительный усилитель с устройством измерения частоты.

Усилитель тока был реализован при помощи интегральных операционных усилителей серии NE5539 и LM343.

В частотомере были использованы микросхемы на комплиментарных МОП-транзисторах, что уменьшило его энергопотребление и быстродействие.

Все детали, использованные в проекте, отвечают техническим требованиям, как по условиям эксплуатации, так и по характеристикам быстродействия, энергопотребления и вводимых погрешностей.

Номиналы использованных деталей отвечают номинальным рядам.

Список использованной литературы

1.      Гусев В.Г., Гусев Ю.М. «Электроника» (М., Высшая школа, 1991).

.        Гусев В.Г.,Мулик А.В. «Аналоговые измерительные устройства: учебное пособие» (Уфа, УГАТУ, 1996).

.        Перебаксин А.В., Бахметьев А.А. и др. «Интегральные схемы: Операционные усилители.» Том-1. (М.: Физматлит, 1993).

.        Якубовский С.В., Нисельсон Л.И., и др.. Справочник «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы» (М., Радио связь, 1989).

.        Богданович М.И., Грель И.Н., Дубина С.А., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. справочник « Цифровые интегральные микросхемы» (Минск, Полымя, 1996)

Ресурсы Интернета:

1.      <#"803760.files/image063.jpg">

Максимальное выходное напряжение: не более 5 В;

Напряжение смещения нуля: не более 2,5 мВ;

Входной ток: не более 20 мкА;

Ток потребления: не более 14 мА;

Частота единичного усиления: не менее 48 МГц;

Напряжение питания: ± (5 … 15) В;

Приложение 2

Электрические параметры и АЧХ ОУ 1LM343:

f₁=1 МГц - частота единичного усиления

I_вых.max=20 мA - максимальный выходной ток

U_вых=5 В - максимальное выходное напряжение

I_потр=2 мА - ток потребления

U_см=5 мкВ - напряжение смещения

SN7400N

элемента 2И-НЕ ТТЛ

Ток потребления: 2 мА

Напряжение питания: +5В

Приложение 4

SN7404N

инверторов

Ток потребления: 2мА

Напряжение питания: +5В

Приложение 5

SN5312W

элемента 3И-НЕ ТТЛ

Ток потребления: 2 мА

Напряжение питания: +5В

MC78XX/LM78XX/MC78XXA

-Terminal 1A Positive Voltage Regulator.