Проектирование избирательного усилителя

Техническое задание

Разработать и спроектировать избирательный усилитель (ИУ) в соответствии с индивидуальным кодом: 3 369 536 103 434 295 999 971

Параметры избирательного усилителя

В настоящее время широко используется для радиосвязи частотный диапазон. Для построения приемопередающих устройств систем связи необходимы избирательные усилители.

Избирательными называются усилители, полоса пропускания которых сужена для отделения сигналов в нужной полосе частот от сигналов, помех или шумов других частот.

Наиболее используемые избирательные усилители должны быть недорогими и в то же время обеспечивать все предъявляемые к ним требования по параметрам: полосе пропускания, устойчивости, коэффициенту передачи в полосе, собственным шумам, чувствительности, потребляемой мощности, выходной мощности и т. д.

При расчете схем избирательных усилителей исходные данные могут варьироваться в зависимости от назначения и особенностей применения усилителя. В данной работе проведен расчет избирательного усилителя в соответствии с техническим заданием.

1. Выбор функциональной схемы устройства

Рисунок 1 — Функциональная схема избирательного усилителя.

ВУ — входной усилитель, служит для повышения напряжения сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу усилителя мощности (УМ).

ПФ — полосовой фильтр, предназначен для выделения из сложного сигнала монохромной составляющей.

УМ — усилитель мощности, предназначен для создания в нагрузке сигналов с требуемыми параметрами по мощности, напряжению и току.

РУ — регулятор уровня сигнала Разделительный конденсатор (С_р) -применение конденсаторов связано с возможностью наличия постоянной составляющей у входного сигнала и с наличием напряжения смещения нуля.

2. Расчет основных узлов устройства

2.1 Входной усилитель

Для входного усилителя выберем схему неинвертирующего усилителя (рис.2).

Рисунок 2 — схема неинвертирующего усилителя Выберем операционный усилитель исходя из данных технического задания:

Согласно имеющимся данным наиболее подходящим является усилитель LMV821.

Данные по усилителю:

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Принципиальная схема неинвертирующего усилителя Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя при идеальном ОУ рассчитывается по формуле:

Учитывая, что ЭДС генератора входного сигнала e_г=40 мВ, а максимальное напряжение на нагрузке U_{н max} = 25 В, найдем общий коэффициент усиления К:

Так как оптимальный коэффициент усиления полосового фильтра k_ф=10, то примем коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

С учетом найденного К_ос найдем следующие номиналы резисторов:

Из стандартного ряда Е24 выберем наиболее близкие значения резисторов:

R₁=0.51 МОм

R₂=0.51 МОм

R₃=30 кОм Вычислим номинал разделительного конденсатора исходя из ограничений на коэффициент частотных искажений, появляющихся на низких частотах (общий коэффициент частотных искажений не должен превышать 1,5 дБ, т. е. каждый конденсатор не должен вносить искажения больше, чем на 1,5 дБ):

фильтр избирательный усилитель схема Из стандартного ряда Е24 выберем наиболее близкие значения резисторов: С_р = 0.68 нФ.

Таким образом, в качестве входного усилителя был выбран неинвертирующий усилитель, удовлетворяющий требованиям, предъявленным в техническом задании.

2.2 Полосовой фильтр

Для проектирования ПФ будем использовать фильтр Баттерворта, т.к. он имеет максимально плоскую АЧХ, умеренную фазовую нелинейность, приемлемую переходную характеристику и достаточно крутой спад АЧХ вне полосы пропускания. АЧХ фильтра представляется формулой:

T (s) = ,

Для создания полосового фильтра необходимо провести масштабирование по коэффициенту передачи и по частоте. Проведём подстановку, где — центральная частота полосы пропускания, определяемая нижним и верхним порогом полосы пропускания, — ширина полосы пропускания, а также умножим выражение на коэффициент передачи k=10. В результате вышеописанных преобразований в программе MathCad получаем пронормированное выражение, определяющее требуемую передаточную функцию:

Для синтеза ПФ в ключе передаточной функции необходимо применим 2 звена ФНЧ и 2 звена ФВЧ с многопетлевой обратной связью. В свете вышеизложенного, принципиальная схема ПФ будет иметь вид:

Рисунок 4 — Принципиальная схема ПФ Передаточная функция этой принципиальной схемы запишется:

Сопоставляя вид требуемой передаточной функции и функции принципиальной схемы можно прийти к следующему выражению:

Решим эту систему с помощью программы MathCad:

Выберем номиналы конденсаторов и резисторов с помощью стандартных рядов Е6, Е12 и Е24:

Стандартные ряды номиналов элементов.

E6: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8.

E12: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2.

E24: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 3,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.

Значения номиналов резисторов были выбраны в соответствии с рядом E24. При выборе номиналов конденсаторов была использована следующая таблица:

В результате подбора получим следующие номиналы:

По полученным номиналам была синтезирована схема ПФ в программе Electronics Workbench (рисунок 5).

Рисунок 5 — Схема ПФ, построенного в программе Electronics Workbench

На рисунке 6 приведены частотные характеристики полученного фильтра:

Рисунок 6 — АЧХ и ФЧХ ПФ, построенного в программе Electronics Workbench

Судя по полученным частотным характеристикам, приходим к выводу, что данный полосовой фильтр удовлетворяет техническому заданию.

2.3 Усилитель мощности

Для минимизации расчетов выберем готовый прибор с подходящими параметрами.

Рассмотрим мощный одноканальный усилитель низкой частоты 100 Вт (TDA7294).

УНЧ выполнен на интегральной микросхеме TDA7294. Эта ИМС представляет собой УНЧ класса АВ. Благодаря широкому диапазону питающих напряжений и возможности отдавать ток в нагрузку до 10 А, микросхема обеспечивает одинаковую максимальную выходную мощность на нагрузках от 4 Ом до 8 Ом. Одной из основных особенностей этой микросхемы является применение полевых транзисторов в предварительных и выходных каскадах усиления.

Технические характеристики:

Принципиальная схема выбранного УНЧ представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Принципиальная схема УНЧ

Для усилителя мощности с целью уменьшения расчетов выберем готовый источник питания. Приведем технические характеристики, принципиальную схему на рисунке 8 и принцип работы данного источника питания.

Технические характеристики источника питания

Рисунок 8 — Принципиальная схема источника питания

Принцип работы источника питания:

Импульсы для управления ключами генерирует задающий генератор, построенный на специальном драйвере TL494, частота импульсов управления 30 кГц. Импульсы управления с выходов микросхемы подаются поочередно на транзисторные ключи VT1, VT2 предварительного формирователя импульсов для выходных силовых ключей. Ключи VT1, VT2 нагружены трансформатором управления TR1, который и формирует импульсы управления мощными выходными ключами VT3, VT4. Формирователь необходим для гальванической развязки затворных цепей выходного каскада. ИП построен по полумостовой схеме, средняя точка для полумоста создается конденсаторами СЗ, С4, которые одновременно служат сглаживающим фильтром выпрямленного диодным мостом VDS1 питающего напряжения сети. Цепь R7, С8 обеспечивает кратковременно питание на задающий генератор и формирователь импульсов управления для первичного запуска ИБП, после полного заряда конденсатора С8, питание формирователя осуществляется непосредственно обмоткой 3 трансформатора TR2, с которой снимается переменное напряжение 12 В. Цепочка VD2, С6 служит для выпрямления и сглаживания питающего формирователь напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение первичного запуска до 12 В. Вторичное напряжение питания для РЭА снимается с обмотки 3 трансформатора TR2, выпрямляется диодами шотки VD3, VD4 и подается на сглаживающий фильтр С9, С10 Если необходимое напряжение питания превышает 35 В, включаются по два диода последовательно.

Заключение

На примере курсового проекта я научилась применять знания, которые я получила при изучении теоретического курса, на практике; решать некоторые инженерные задачи (на примере избирательного усилителя); работать с научно-технической и патентной литературой; осуществлять поиск известных технических решений. Разрабатываемый в данной курсовой работе прибор предназначен для выполнения функции усиления входного напряжения в узкой полосе частот. Применение высокоточного усилителя обеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы.

Избирательный усилитель позволяет существенно исключить влияние шумов и помех на входной сигнал, поэтому позволяет без особых искажений усиливать входящий сигнал.

1. Гудилин, А.Е. «Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики: Методические указания"/А.Е.Гудилин, О. Н. Казьмин, В. Н. Калин, А. Д. Чесноков. — Челябинск: ЧПИ, 1985. — 82с.

2. Джонсон, Д. «Справочник по активным фильтрам"/Д.Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. — М.:Энергоастомиздат, 1983.

3. Гусев, В.Г. «Электроника"/ В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. — М.: Высшая школа, 1991.

4. Хоровиц, П. «Искусство схемотехники"/П.Хоровиц, У.Хилл. — М.: Мир, 2001. — 704 с.