Добавил:
ministryofsoundweezy@gmail.com Ученик Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
схемотехника_пичуев-1.doc
Скачиваний:
17
Добавлен:
04.06.2018
Размер:
6.07 Mб
Скачать

19

КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОРЕХОДНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА РАДИОБОРУДОВАНИЯ СУДОВ

Курсовая работа

По дисциплине: Схемотехника аналоговых электронных устройств.

ВЫПОЛНИЛ: ПРОВЕРИЛ:

КУРСАНТ ГРУППЫ 98Р ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

ПИЧУЕВ В.К. ДУРОВ А.А.

ЗАЩИТА НАЗНАЧЕНА НА:

«…»……..………….….2000г.

ОЦЕНКА…………………….

«…»……………………2000г.

ПЕРОПАВЛОВСК-КАМЧАТСКИЙ

2000г.

Содержание

Техническое задание на курсовую работу с исходными данными

Стр. 3

Введение

Стр. 4

Анализ технического задания

Стр. 5

Расчеты в соответствии с индивидуальным заданием

Стр. 8

Графическая часть

Стр. 12

Заключение

Стр. 19

Список литературы

Стр. 20

Введение

Целью этой курсовой работы является закрепление и углубление знаний по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств», приобретение навыков анализа судовых радиоэлектронных устройств, расчета структурной схемы устройства и его отдельных каскадов.

Заданием моего варианта является проектирование и расчет схемы широкополосного усилителя. Широкополосные усилители предназначены для усиления сигналов сложной формы, а следовательно, и сложного спектрального состава. Низкочастотные и высокочастотные составляющие спектра таких сигналов соответственно определяются участками медленного и быстрого изменения напряжения. Подобные сигналы обрабатываются, например, радиолокационными и телевизионными приемниками.

В схеме широкополосного усилителя я использую операционные усилители. Это позволяет упростить схему и расчет, кроме того, очень выгодно использовать такие схемы с конструктивной и экономической точки зрения. Подробно это будет рассмотрено в пояснительной записке.

Анализ технического задания

Усилители имеют широкое и разностороннее применение: в радиосвязи и радиовещании, телевидении, звуковом кино, устройствах записи и воспроизведении звука, дальней проводной связи, измерительной аппаратуре, а так же в телемеханике, автоматике, электронно-вычислительных машинах, аппаратуре исследования космического пространства и т. д.

Усилители классифицируются по различным признакам: по характеру усиливаемых сигналов, полосе усиливаемых частот, назначению усилителя и используемых усилительных элементов.

По характеру усиливаемых сигналов можно подразделить на две группы:

  1. Усилители гармонических сигналов – они нужны для усиления гармонических и квазигармонических (почти гармонических) сигналов, различной величины и формы. К таким усилителям относятся: микрофонные, трансляционные, магнитофонные усилители и усилители, воспроизводящие грамзаписи и т.д.

  2. Усилители импульсных сигналов – они нужны для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов различной величины и формы. К ним относятся: усилители импульсных систем связи, видео усилители (усилители сигналов телевизионного изображения) импульсных радиолокационных устройств и т.д.

По ширине полосы (диапазону) и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на:

  1. Усилители постоянного тока – для усиления электрических колебаний в полосе частот от fН до высшей рабочей частоты fВ. Эти усилители усиливают, как и переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

  2. Усилители переменного тока – усиливают лишь переменные составляющие в полосе частот от fН до высшей рабочей частоты fВ.

  3. Усилители высокой частоты – для усиления электрических колебаний модулированной высокой частоты (например, радио частоты).

  4. Усилители низкой частоты – для усиления не преобразованных (первичных) электрических колебаний.

  5. Широкополосные усилители – усиливают очень широкую полосу частот (высшая рабочая частота порядка мегагерца и выше, а низшая рабочая частота порядка килогерца и ниже) и имеют очень большое отношение высшей рабочей частоты к низшей.

  6. Избирательные или селективные усилители – усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот и усиление резко падает за пределами этой частоты.

В моем варианте предложено рассчитать широкополосный усилитель.

Широкополосными усилителями называют усилители, полоса пропускания которых превышает 20….50 кГц, т.е. достаточной для неискаженного усиления сигналов.

Усилители, предназначенные для усиления коротких импульсов, так же относят к широкополосным.

В зависимости от типа усилительного элемента различают ламповые, полупроводниковые, магнитные, диэлектрические. Полупроводниковые усилители подразделяют на транзисторные и выполняемые на интегральных микросхемах.

Схема моего широкополосного усилителя выполнена на операционных усилителях.

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока прямого усиления с симметричным входом (дифференциальным входным каскадом), с большим коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропускания (f = 10…100 МГц), высоким входным сопротивлением и низким выходным. Если вход, полярность сигнала на выходе усилителя совпадает с полярностью на входе, то его называют неинвертирующим. А вход, на котором полярность выходного сигнала противоположна полярности сигнала на входе, называют инвертирующим. Инвертирующий вход используют для введения отрицательной обратной связи. Свойства операционного усилителя, охваченного внешней отрицательной обратной связью, определяются параметрами цепи обратной связи и практически не зависит от свойств операционного усилителя. Это дает возможность выполнять высокостабильные схемы и устройства. С помощью такого операционного усилителя можно выполнять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование и др.). Многообразие функций, которые может выполнять операционный усилитель, сделало его основным универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

В моем задании, я использую полосовой фильтр, так как мой усилитель должен усиливать сигнал на частоте от 100 Гц до 1 МГц. Фильтром называют четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава подведенного к его входу сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной области, и для подавления частотных составляющих, расположенных во всех других областях частот.

Область частот, где фильтр усиливает или мало ослабляет сигнал, называют полосой пропускания, а область частот, где ослабление входного сигнала велико, - полосой задерживания. Чем больше разница между усилением и ослаблением, тем сильнее выражены фильтрующие свойства цепи.

Электрические фильтры используются для выделения (или пропускания) требуемого сигнала из смеси полезных и мешающих сигналов. Например, при настройке радиоприемника на определенную станцию с помощью фильтров выделяются сигналы, которые передаются интересующей нас станцией, и подавляются все остальные сигналы.

Помехами, которые необходимо подавить, могут являться собственные шумы предшествующих фильтру электронных устройств, атмосферные шумы, промышленные шумы и т. д.

Если спектр сигнала уже спектра помех, то для выделения сигнала используют фильтры с полосой пропускания, расположение которой согласовано с расположением спектра сигнала на оси частот.

Если спектр помех уже спектра сигнала, то применяют заграждающий (режекторный) фильтр, добиваясь совпадения полосы задерживания со спектром помехи.

В зависимости от взаимного расположения полосы пропускания и полосы задерживания различают:

― фильтр верхних частот (ФВЧ), имеющий полосу пропускания от некоторой частоты f1 до бесконечности и полосу задерживания от 0 до f1 (на графике №1 изображена амплитудно-частотная характеристика ФВЧ)

― фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий полосу пропускания от 0 до некоторой частоты f1 и полосу задерживания от частоты f1 до бесконечности (на графике №2 изображена амплитудно-частотная характеристика ФНЧ)

― полосовой фильтр (ПФ), имеющий полосу пропускания от частоты f1 до частоты f2 и полосу задерживания вне указанного диапазона (на графике №3 изображена амплитудно-частотная характеристика ПФ)

― режекторный (или заграждающий) фильтр (РФ), с полосой задерживания от частоты f1 до частоты f2 и полосой пропускания вне указанного диапазона (на графике №4 изображена амплитудно-частотная характеристика РФ).

При обработке сигналов на сравнительно низких частотах (менее 100 – 500 к Гц), а так же при разработке каскадов радиоэлектронных устройств в интегральном исполнении для LC – фильтров требуются индуктивности, имеющие большие габариты, и их нередко заменяют активными RC – фильтрами.

Активные RC – фильтры имеют в своем составе резисторы, конденсаторы и усилительный элемент в виде операционного усилителя. Отсутствие индуктивностей в активных фильтрах позволяет выполнять их в интегральной форме. Необходимый фазовый сдвиг в активных фильтрах достигается за счет обратной связи. Так же обратная связь позволяет разработчику схем на операционных усилителях легко выбирать и регулировать усиление по напряжению.

Свойства операционного усилителя, применяемого для построения активных фильтров, должны быть близки к идеальным (Rвх → ∞; Rвых → 0;Ку → ∞). В этом случае реактивные цепи фильтра будут работать в согласованном с нагрузкой режиме.

На графике № 5 представлена схема активного фильтра верхних частот (ФВЧ), которая включает в себя инвертирующий операционный усилитель и дифференцирующую цепочку R2C, а на графике № 1 – частотная характеристика этого фильтра.

Схема фильтра нижних частот (ФНЧ) приведена на графике № 6, а частотная характеристика на графике № 2.

Если фильтр нижних частот и фильтр высоких частот объединить, то можно получить полосовой или режекторный фильтры, которые без существенных искажений пропускают или задерживают определенную полосу частот как показано на графиках № 3 и № 4.

РАСЧЕТЫ В СООТВЕТТИИ С ИНДИВИДУАЛЬНЫМ ЗАДАНИЕМ

Широкополосный усилитель с линейной амплитудной характеристикой схема которого на графике № 7.

Дано:

Uвх = 1000 мкВ f1 = 100 Гц Uвых1 = Uвх2

Uвых = 5 В f2 = 1 МГц

Коэффициент усиления по напряжению (Ку) равен отношению выходного напряжения к входному:

Ку == =5000

  1. Рассчитаем первый каскад (схема первого каскада на графике № 8)

Ку1 = 100 =

Откуда выходное напряжение:

Uвых1 = 0,1 В

Так же для фильтра высоких частот, который часто используется в качестве дифференцирующего устройства, коэффициент усиления можно записать:

К(jω)== -* (1)

Переходя к операторной записи, получим следующую функцию:

К(p) = -, где τ1 = C1R1 (2)

Линейно-амплитудная частотная характеристика данного фильтра приведена на графике № 1. Частоту сопряжения асимптот ω1 находят из условия ω1 τ1 = 1, откуда

f1 = = (3)

Допустим, что R1 = 1 кОм, тогда

С1= = ≈ 1.6 мкФ (4)

Преобразуем формулу (2):

КR1 + р К (R1)2 C1 = - R2 р С1 R1

R2 р С1 R1 + р К (R1)2 C1 = - К R1

р R1 С1 (R2 + К R1 ) = - К R1

R2 = - К R1/(р R1 С1) - К R1 = К(1 - R1 С1р/(р С1)) (5)

Из формулы (2):

К = - = -

= , откуда

р =

Подставим последнее уравнение в формулу (5):

R2 = -К

R2 = - К

R2 = -(- R2С1 –R1С1К +R1К) = R2С1 +R1С1К - R1К

R2 (1- С1) = R1С1К - R1К

R2 =

R2 = - R1К

Знак «минус» означает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе. Из последней формулы найдем R2.

R2 =100 кОм

  1. рассчитаем второй каскад (схема второго каскада на графике № 9)

Коэффициент усиления равен:

Ку2 = == 50

Так же для фильтра низких частот аналогично формуле рассмотренной выше коэффициент усиления можно записать:

К(jω) = * (6)

Переходя к операторному виду, получим следующую формулу:

К(p) = (7)

Допустим, что R3 = 1 кОм, тогда запишем выражение из формулы (7)

КR3 + рКС2R4R3 + R4 = 0

R4 = (8)

Из формулы (7) получим

К = откуда

+ рС2 R3 = -1

р = - (9)

Подставим (9) в (8)

R4 =

R4 - R4 К - R3 К3 = - К R3

R4 (1 – К) = - К R3(1 – К) откуда

R4 = - К R3

R4 = 50 кОм

Линейная амплитудно-частотная характеристика этого фильтра изображена на графике № 2. Найдем частоту.

f2 = =

С2= = ≈ 3 пФ

Я выбрал операционный усилитель К175 УВ 2 который удовлетворяет всем требованиям моей схемы (амплитудно–частотная характеристика этого операционного усилителя изображена на графике № 10).

Я произвел расчет широкополосного усилителя, схема которого представлена на графике № 11 и линейная амплитудно-частотная характеристика на графике №12.