Контрольная работа по электронике и микросхемотехнике

302401-28

Контрольная работа

по электронике и микросхемотехнике

студентки ФЗИДО БГУИР

специальности 530107 «ИТиУвТС»

222228, Минская обл.,

Смолевичский район,

п/о д.Алесино,

ул.Садовая, 25

Задание

Вариант 17.17.15.1 – Модулятор – ШИМ

1. Датчик: ТСП-175, градуировка 22, температурный диапазон +200…-500^оС.

2. Двигатель: ДМП-20Н3-01.

3. Температурный диапазон для проектируемого электронного устройства: +15…+50^оС.

4. Режим работы выходных каскадов: по выбору разработчика.

5. Вид системы: астатическая.

6. Напряжение питания: сеть 220В, 50 Гц.

Таблица 1

Основные технические данные микродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами серии ДПМ исполнения НЗ с одним выходным концом вала и встроенным центробежным стабилизатором частоты вращения

Тип двигателя	UН, В	МН, мНм	n, об/мин	IН, А	Rя, Ом	МП, мНм
… ДПМ-20-Н3-01 …	27	1	9000	0,2	19,3	7

Таблица 2

Основные технические данные термометров сопротивления

Термометр сопротивления	Градуировка	Предел измерения в ^оС	Материал защитной арматуры	Монтажная длина в мм	инерционность	условное давление в кгс/см^2	устойчивость к механ. воздействиям	область применения	особенности конструкции
ТСП-175	21 или 22	(-50) – (+500)	стали Х18Н10Т Х17Н13М2Т ОХ18Н12Б ОХ18Н10Т	80, 100, 120, 180, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200	20	250 для длин 250 мм, 100 для длин 630 мм, 25 для длин св. 360 ьь	обыкновенная	среды, не разрушающие защитную арматуру	крепление неподвижным штуцером М27Х2

1. Функциональная схема астатической системы

На рисунке 1.1 изображена функциональная схема астатической системы, содержащая два двигателя Д1 и д2, причем первый двигатель Д1 является интегратором.

Двигатель Д2

Рисунок 1.1 - Функциональная схема астатической системы

Система действует следующим образом: при подаче сигнала на вход от задатчика начинает вращаться вал двигателя Д1, перемещая движок реостата R. В связи с этим возрастает ток двигателя Д2, вращение вала последнего через компрессор увеличивает подачу топлива в объект (печь). По мере нарастания сигнала Х_ос рассогласование  уменьшается до нуля, вал двигателя Д1 останавливается, а двигатель Д2 продолжает действовать, поддерживая Х_вых на уровне, установленном задатчиком.

Таким образом, в астатической системе в отличие от статической в установившемся режиме сигнал  =0, вал двигателя Д1 неподвижен. Отсюда вытекают особенности проектирования электронного блока: в астатической системе мощный каскад в первую очередь должен рассчитываться на пусковой режим двигателя с возможностью реверса, т.е. изменения направления вращения вала. В связи с этим для расчета выберем интегральный широко-импульсный модулятор.

2. Интегральная ШИМ

Схема модулятора изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема интегральной ШИМ

Схема состоит из интегратора, компаратора, инвертора и двух D-триггеров ТМ2. Временные диаграммы ее работы изображены на рисунке 2.2. Эта схема обладает высокой помехоустойчивостью, т.к. и сигнал управления U_y и сигнал обратной связи проходят через интегратор, который является фильтром. При отрицательном знаке U_y на выходе интегратора формируется положительное напряжение U_c и в такт с ГТИ переключается только триггер DD1, при смене знака U_y - триггер DD2, что обеспечит движение якоря двигателя в ту или иную сторону. Таким образом, триггер DD1 должен управлять одной парой транзисторов VT1, VT2, другой – транзисторами VT3, VT4 выходного каскада.

Когда на двигатель не подается управление, то U_oc = 0 и напряжение на выходе интегратора

. (2.1)

Когда двигатель запитан, то

, (2.2)

а полярность напряжений U_y и U_oc должна быть противоположной. Двигатель снова будет обесточен, когда U_с2 = 0 в момент времени t = T. Расчет будем вести для U_y = U_{y max}, тогда t_и = t_{и max}.

U_y

t

U_c

t

ГТИ

t

t_п

t_и

T

U_{иых комп}

t

Q₁

t

Q₂

t

Рисунок 2.2 - Временные диаграммы интегральной ШИМ

3. Порядок расчета схемы интегральной ШИМ.

Для схемы интегратора выберем универсальный биполярно-полевой операционный усилитель К140УД18, так как он имеется на складе предприятия, для которого разрабатывается модулятор. Он имеет следующие характеристики:

Тип микросхемы	КyU×10^3	Uсм, мВ	∆Uсм, мкВ/^оС	Iвх, нА	∆Iвх, нА	f1, МГц	^υUиых, В/мкс	Кос сф, дБ	Uвх, В	Uвх сф, В	Uвых, В	Iвых, мА (Rн , кОм)	UИП, В	IПОТ, мА
КР140УД18	50	10	-	1	0,2	-	2	-	10	10	11,5	(2)	±15	4

Примем U_{y max} ­­ ≤ 0,8 U^+(-)_{y max} .

Рассчитаем схему так, чтобы интегратор не заходил в насыщение, т.е. зададимся напряжением U_c1 исходя из следующего условия: U_c1 ≤ U^+(-)_{y max}.

С целью однотипности элементной базы электронного блока, принимает, что источником сигнала для первого каскада модулятора принят такой же операционный усилитель, что и в схеме модулятора.

Исходя из этого, рассчитаем величину резистора R₁ по формуле:

. (3.1)

Рассчитаем значения T и t_и.

Зададимся 10% уровнем пульсации. Эквивалентную схему якоря представим в виде рисунка 3.1.

jωL_я

R₂

Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема цепи якоря

Сопротивление этой цепи равно:

, (3.2)

где .

Индуктивность цепи якоря рассчитаем по формуле:

Гн, (3.3)

где β – коэффициент, который для двигателей без компенсации принимается равным 0,6-0,8;

U – напряжение питания двигателя;

ρ – число полюсов, принимаем равным 2;

ω_н – угловая скорость вращения, рад/с (об/мин);

I_я – номинальный ток в цепи якоря.

Длительность ШИМ импульсов рассчитаем по формуле:

, (3.4)

где I_нач = 0,95  0,2 = 0,19 А;

I_кон = 1,05  0,2 = 0,21 А;

I_ = 10  I_нач = 10  0,2 = 2 А.

Тогда . (3.5)

Подставляя значение R₁ в формулу (2.1) найдем значение величины С. При этом принимаем U_c1 не более половины допустимой величины для гарантии работы в активной области, т.е. U_c1 = 5,5 В:

(3.6)

Затем в (2.2) принимаем, что напряжение U_c2 в конце периода равно нулю.

После этого, зададимся напряжением U_OC = 5В, получим значение R₂:

(3.7)

Значение R₃ рассчитаем как параллельное соединение R₁ и R₂:

(3.8)

Значения R₄ и R₅ без расчетов примем равными 1 кОм.

Резистор R₆ зададим в тех же пределах (он необходим, так как компаратор типа САЗ имеет открытый коллектор).

С целью однотипности элементной базы электронного блока возьмем металлодиэлектрические резисторы общего назначения типа С2-33Н, которые имеются на складе предприятия.

Для увеличения чувствительности, входного сопротивления, а также снижения потребляемой мощности пороговых устройств возьмем универсальный компаратор К554СА3.Он имеет два выхода: открытый коллектор (вывод 9) и эммитерный (вывод 2). Из-за этих особенностей он пригоден для обслуживания любых цифровых микросхем умеренного быстродействия.

В качестве генератора тактовых импульсов (ГТИ) возьмем любой, частота которого f_ГТИ будет равной и который будет иметь на выходе крутые фронты, т.к. пологие фронты не опрокинут триггер.

Когда U_y меньше U_{y max}, то напряжение на выходе интегратора U_{c1 max} будет понижаться по абсолютной величине, и этим определяется более короткий промежуток t_и­.

Сигналы Q₁ и , Q₂ и должны управлять транзисторами мощного каскада.

Схема интегральной ШИМ изображена на рисунке 3.1.

ГТИ

Рисунок 3.1 - Схема интегральной ШИМ

Литература

1. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. – 432 с., ил.

2. А.Р.Решетилов, Н.И.Ольшевский. Методическое пособие по курсовому проектированию по курсу «Электроника и микросхемотехника» для студентов специальности «Автоматическое управление в технических системах». - Изд. 2-е, перераб. и доп. – Мн.: УО «БГУИР», 2002.

3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др.; Под ред. СюВюЯкубовского. – М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.: ил.

4. Резисторы: Справочник / В.В.Дубровский, Д.М.Иванов, Н.Я.Пратусевич и др.; Под ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова. – 2-у изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.: ил.

5. Конденсаторы: Справочник / И.И.Четвертков, М.Н.Дьяконов и др. – М.: Радио и связь, 1993.