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.

K_yu(50 000)=55Дб =563

K_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.

K (_н)== -5,0006

K (_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:

=1,1 где K_проп=1,

=0,999 988

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:

номинал: 7,960мкФ;

точность: ±0,5%.

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:

=1.199, 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:

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

R₉ = 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:

= 0.9 090 909

= 0.90 909 091

= 9,99 894

= 9.99 894

= 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>10 000 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:

=1, так как R₁₃=R₁₂

K_yu(_н)=562 341 K_yu(_в)=563

K (_в)== -0,9982

K (_н)== -0,999 998

=1.177

Коэффициент частотных искажений всего усилителя на верхней граничной частоте:

M_в=M_в.вхMв.пром Mв. вых= 1,177

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 7 В 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==5,976 В Проектирование частотомера Электронно-счётный частотомер, предназначен на подсчёте числа импульсов измеряемого сигнала.

Упрощенная структурная схема частотомера показана на рисунке 6:

рис.6

R-C-цепочка предназначена для подачи на вход R СДИ кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора. Время разряда конденсатора должно быть гораздо меньше по сравнению с величиной 1/f_в=0,2 с. Зададим =0,1 с. Так как =RC, 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=2U_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=0.693R₂₅C₃. 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 — 50 000 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 ВА, 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.

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

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

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

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

5. 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. http://radioradar.net/hand_book/hand_books/tpp.html

2. www.AllDataSheet.com

3. http://www.masterkit.ru

Приложения

Приложение 1

Электрические параметры и АЧХ ОУ 140УД26:

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
• Приложение 3
• SN7400N
• 4 элемента 2И-НЕ ТТЛ
• Ток потребления: 2 мА
• Напряжение питания: +5В
• Приложение 4
• SN7404N
• 6 инверторов
• Ток потребления: 2мА
• Напряжение питания: +5В
• Приложение 5
• SN5312W
• 3 элемента 3И-НЕ ТТЛ
• Ток потребления: 2 мА
• Напряжение питания: +5В
• MC78XX/LM78XX/MC78XXA
• 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator.