Расчет электронного устройства и генератора импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Требуется разработать устройство для измерения скоростей двух объектов, движущихся с ускорениями a1(t) и a2(t), а также получение значений разности их скоростей в виде электрического напряжения ?U, по стрелочному прибору на основе миллиамперметра со шкалой 0ч1 мА, а также возможность световой индикации ?Uv на основе светодиодов следующим образом: если скорость первого объекта больше второго, то загорается красный светодиод, в противном случае - зелёный светодиод. Предполагается, что на этих объектах установлены датчики ускорения, имеющие выходной электрический сигнал (напряжение), пропорциональный ускорению:

U1(t)=Ka a1(t), U2(t)=Ka a2(t),

где Ka - коэффициент преобразования датчика.

Известно, что ускорения объектов меняются по законам:

a1(t)=am sin 2рf1t, a2(t)=am sin 2рf2t,

где am = 2 м/с2, f1=5 Гц, f2=3 Гц.

Коэффициент преобразования Ka = 50мВ/(м/с2) одинаков для обоих датчиков. Максимальное значение ?Uv = ±10В должно соответствовать максимальной разности скоростей.

Датчики ускорения воспринимают электрическое напряжение, преобразуют в напряжение с коэффициентом преобразования. Затем сигналы поступают на интеграторы и на выходе получаем сигналы пропорциональные скорости между двумя объектами. Далее сигналы проходят к дифференциальному усилителю, который будет выдавать выходное напряжение как разность входных напряжений. Затем сигналы идут параллельно на входы компаратора и преобразователя, который регистрирует напряжение миллиамперметром. К выходу компаратора подключены светодиодные индикаторы, которые сигнализируют следующую ситуацию: если V1>V2, то загорается красный светодиод, в противном случае - зелёный светодиод

Расчет.

Пусть вся схема питается от

Ускорения объектов меняются по законам:

a1(t)=am sin 2рf1t, a2(t)=am sin 2рf2t

где am = 2 м/с, f1= 5 Гц, f2= 3 Гц.

Подставим заданные значения в уравнения ускорений и получим:

Датчики ускорений имеют выходной электрический сигнал (напряжение), пропорциональное скорости:

где Kа = 50мВ/(м/с2).

После прохождения объектов через датчики ускорений на выходе получим напряжение вида:

Рассчитаем интеграторы:



Пусть максимальное напряжение на выходе DA2 равно 5В. Тогда , получим:

Тогда:

.

Пусть из стандартного ряда выберем С1=С2=0,1 мкФ.

Тогда:

.

Из стандартного ряда выберем .

Теперь рассчитаем напряжение на выходе DA1:

Рассчитаем усилитель DA3:

Выберем операционный усилитель такой, у которого величина максимальной скорости нарастания выходного напряжения большая. Выберем ОУ К140УД23.

Табл. 1. Предельно допустимые значения параметров и режимов

Параметр, режим	Буквенное обозначение	Не менее	Не более	Единица измерения
Напряжение питания	Uп	±13,5	±16,5	В
Синфазное входное напряжение	Uвх. сф.	-	±10,0	В
Сопротивление нагрузки	RH	2	-	кОм
Температура окружающей среды	T	-10	+70	°с

Табл. 2. Электрические параметры (при Uп=±15В, RH=2кОм, Т=25°с)

Параметр	Буквенное обозначение	Не менее	Не более	Единица измерения
Максимальное выходное напряжение	Uвых max	±12,0 ±11,0 ±10,0	- - -	В
Напряжение смещения	Uсм	- -	10 11	мВ
Входной ток	Iвх	- -	0,2 0,2	мА
Разность входных токов	ДIвх	- -	0,05 0,05	мА
Ток потребления	Iпот	- -	10 11	мА
К-т усиления напряжения	KI,U	25 25	- -	тыс.
Максимальное синфазное входное напряжение	Uвх. сф. max	10	-	В
Частота единичного усиления	f1	10	-	МГц
К-т ослабления синфазных входных напряжений	Kос.сф.	80	-
К-т влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения	Kн.п.	30	-	дБ
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения	VUвых max	30	-	В/мкс
Время установления выходного напряжения	tуст	-	0,52/0,753	Мкс
Максимальный выходной ток	Iвых max	10		мА
Диф. напряжение	Uдиф	10		В

В дифференциальном усилителе выполняются равенства:

Из уравнения:

,

найдем сопротивления и . Учтем, что

Возьмем , отсюда получим, что

В итоге получим, что

Проверим условие выполнения обратной связи, т.е.



Откуда получаем, что условие обратной связи выполняется.

Рассчитаем сопротивления по мощности рассеивания:

Рассчитаем преобразователь:

Преобразователь напряжение/ток составлен на ОУ - 154 УД45. Коэффициент преобразования тока в напряжение равен:

Т.к. разность может быть отрицательной, ставлю диодный мост из диодов .

Табл. 3. ГД 107 Б

0,4	2,5	100	20

Сопротивление выбираю из расчёта на то, что миллиамперметр должен быть со шкалой 0-1 мА (из условия задачи). Максимальное падение напряжения на диодах равно 0,8В. Погрешность меньше 10%, тогда .

Получим:

Реальный максимальный ток на миллиамперметре:

,

это нас вполне устраивает.

Мощность потребления резистора равна:

Рассчитаем транзисторный ключ

Сигнал с выхода компаратора поступает на один из транзисторных ключей. Если V1>V2 то открывается транзистор p-n-p типа (транзистор ГТ322Б) и загорается светодиод красного цвета.

Табл. 4. Характеристики ГТ322Б

Статический коэффициент передачи тока	50-120
Модуль коэффициента передачи тока	4
Входное сопротивление	34 Ом
Емкость коллекторного перехода	1,8 пф
Обратный ток коллектора	4 мкА

В противном случае открывается транзистор n-p-n типа (транзистор КТ315Б) и загорается светодиод зелёного цвета.

Табл. 5. Характеристики КТ315Б

Статический коэффициент передачи тока	50-350
Модуль коэффициента передачи тока	2,5
Входное сопротивление	40 Ом
Выходная проводимость	0,3 мкСм
Обратный ток коллектора	1 мкА
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер	0,4 В

Чтобы светодиод загорался в нужный момент необходимо, чтобы транзистор был в насыщении.

Выберем светодиод красного цвета: АЛ102Б, светодиод зелёного цвета: ЗЛ360А.

Некоторые параметры светодиодов:

Табл. 6. АЛ102Б ЗЛ360А

IV, мккд	100
Iпр., мА	10
Uпр., В	2,8
Iпр., мА	10
лmax, мкм	0,69
Iпр.max, мА	20
Uобр., max, В	2
Тmax, °с	70

1) Iк=Iпр.max=10 мА (АЛ102Б). Uп=±15 В, на светодиоде падает напряжение Uпр=2,8 В.

(в таблице номинальных значений )

2) Iпр.max=10 мА (ЗЛ360А). Uп=±15 В, на светодиоде падает напряжение Uпр=1,7 В.

(в таблице номинальных значений )

Рассчитаем сопротивление базы R8. Статический коэффициент передачи тока транзисторов h21=50; Iкн .= 10 мА.

.

Зададим степень насыщения S=3. Тогда реальный ток базы Iб.реал.=0,6 мА.

,

Рассчитаем сопротивления по мощности рассеивания

2. Разработать формирователь прямоугольных импульсов для заданного входного сигнала

Рис. 1. Схема устройства

Расчеты.

Выберем все операционные усилители одинаковые: К574УД1. Вот некоторые параметры операционного усилителя:

Табл. 7

Параметр	Буквенное обозначение	Значение	Единица измерения
Напряжение питания	Uп	±3 ч 18	В
Входное дифференциальное напряжение	Uвх. диф.	24,0	В
Минимальное сопротивление нагрузки	Rнmin	2	кОм
Температура окружающей среды	T	-10 ч +70	0С
Максимальное выходное напряжение	Uвых, макс	10	В
Напряжен смещения	Uсм	50	мВ
Входной ток	Iвх	0,5	нА
Ток потребления	Iпот	8	мА
Коэффициент усиления напряжения	Ку,u	50000	-
Максимальное синфазное входное напряжение	Uвх.сф.макс	12	В
Частота единичного усиления	f1	10	МГц
Скорость нарастания выходного напряжения	VUвых.макс	80	В/мкс

Выберем также одинаковые диоды VD1-VD12. Пусть это будет импульсный диод Д311 со следующими характеристиками.

Табл. 8

10	25	30	30	70	0,4	10

Выберем стабилитрон VD13 КС152А со следующими характеристиками:

Табл. 9

										При
5,2	5	400	35	4,8	5,6	10	-1…6	50	1,5	1	55	125

Для того чтобы на выходе компаратора (ДА2) был строго определенный сигнал подадим на неинвертирующий вход нашего компаратора опорное напряжение. Для этого создадим цепь из резисторов R1 и R2, на которые подается напряжение с источника питания.

Рассчитаем величину опорного напряжения:

.

Для того, чтобы операционный усилитель ДА1 работал как компаратор необходимо, чтобы:

;

т.е. . Uвх=Uоп. Пусть Uоп=0,0004 В.

;

Пусть R2=200 кОм, из стандартного ряда сопротивлений. Рассчитаем R1:

,

резистор транзисторный импульс усилитель

Из стандартного ряда сопротивлений выберем R1=10 Ом.

Ждущий мультивибратор на основе ДА2 используется как расширитель импульсов, потому что запускающий импульс короче генерируемого им. Для обеспечения устойчивого состояния ждущего мультивибратора в цепь отрицательной обратной связи включаем диод VD5 параллельно емкости C2 , так что напряжение на диодах и на емкости C4 всегда равны. Это напряжение поступает на инвертирующий вход ОУ. В исходном состоянии Uвых=U-=-10В, UVD5 =UC4=0,4 В, где UVD3- падение напряжения на открытом диоде VD3. В этом случае пороговое напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя определится как:

;

Зададимся R4 = R8 = R12 =R14 =20 кОм, R5 = R10 = R16 =R17= 51кОм, тогда:

;

Т.к. разность напряжений на входах DA1 равна:

>0,

то напряжение на выходе неизменно и соответствует устойчивому состоянию мультивибратора.

В момент времени t1=10мкс на неинвертирующий вход ОУ через дифференцирующую цепь и диод VD2 приходит импульс отрицательной полярности Uзап=-10В при этом выполняется условие Uзап.max ? 2Uпн, тогда разностное напряжение на входах ОУ определяется как:

;

И мультивибратор переходит в режим выдержки, т. е. напряжение на его выходе становиться равным:

Uвых =U+=10 В,

а напряжение на не инвертирующем входе равно верхнему порогу срабатывания компаратора:

.

Следовательно:

0,4 В<2,8 Вусловие выполнилось.

Тогда по отрицательной обратной связи диод VD3 запирается, и ток начинает заряжать конденсатор C2 до верхнего порогового напряжения UПВ. Как только выполняется условие:



мультивибратор переходит в устойчивое исходное состояние (ждущий режим) и напряжение на его выходе становиться равным Uвых =U-. Этот момент времени является окончанием цикла работы мультивибратора.

Из условия если R2=0,86R3, то:

t1=5 мкс, t2=10 мкс, t3=3 мкс, t4=5 мкс.

Значит:

1) Для мультивибратора 1 на основе ДА1:

Пусть С2=100 пФ.

;

Из стандартного ряда: R6=56 кОм;

C2=100 пФ

2) Для мультивибратора 2 на основе ДА3:

Пусть С4=100 пФ.

;

Из стандартного ряда: R9=110 кОм

3) Для мультивибратора 3 на основе ДА4:

Пусть С6=100 пФ.

;

Из стандартного ряда: R13=56 кОм;

4) Для мультивибратора 4 на основе ДА5:

Пусть С7=100 пФ.

.

Из стандартного ряда: R15=56 кОм;

Проверим реальную длительность импульса tu:

1) для ДА1:

tu=0,95·R6·C2=0,95·56·103·100·10-12=5,3 мкс.

2) для ДА3:

tu=0,95·R9·C4=0,95·110·103·100·10-12=10 мкс.

3) для ДА4:

tu=0,95·R13C6=0,95·56·103·100·10-12=5,3 мкс.

4) для ДА5:

tu=0,95·R15C7=0,95·56·103·100·10-12=5,3 мкс.

Рассчитаем параметры дифференциальных цепей из условия .

1) для ДА1:

.

2) Для ДА3:

.

3) Для ДА4:

.

4) Для ДА5:

.

Проверим соблюдается ли условие <<:

1) Для ДА1:<<.

2) Для ДА3:<<.

3) Для ДА4:<<.

4) Для ДА5:<<.

Определим длительность фронтов импульсов:

.

Проверим соблюдается ли условие >>():

1) Для ДА1:>>;

2) Для ДА3:>> ;

3) Для ДА4:>> ;

4) Для ДА5:>> .

Найдем сопротивления R3, R7, R11:

1) для ДА1:

Из стандартного ряда: C1=100пФ;

Из условия выберем:

,

тогда:

.

Из стандартного ряда выберем :R3=5,6 кОм.

2) для ДА3:

Из стандартного ряда: C3=1000 пФ;

Выберем:

,

тогда:

.

3) для ДА4:

Из стандартного ряда: C5=1000 пФ;

Выберем:

,

тогда:

.

Из стандартного ряда выберем: R3=5,6 кОм.

4) Для ДА5:

Из стандартного ряда: C5=100 пФ.

Выберем:

,

тогда:

.

Из стандартного ряда выберем: R3=5,6 кОм

Для того чтобы выходное напряжение было 5В, поставим сопротивление R18 и стабилитрон КС152А(VD14), чтобы стабилизировать напряжение на 5В:

;

;

Проверим условие тока обратной связи:

Найдем ток по цепи обратной связи ОУ ДА2, ДА3, ДА4, ДА5 и проверим соблюдение одного из условий обратной связи: ток по цепи должен быть не более 10% от Iвыхmax:

.

1) Для ДА2:

- условие выполняется;

- условие выполняется.

2) Для ДА3:

- условие выполняется;

- условие выполняется.

3) Для ДА4:

- условие выполняется;

- условие выполняется.

4) Для ДА5:

- условие выполняется;

- условие выполняется.

Рассчитаем сопротивления по мощности рассеивания:

1) для сопротивления R1:

2) для сопротивления R2:

3) для сопротивления R7:

4) для сопротивления R3:

5) для сопротивлений R4, R8, R12, R14:

6) для сопротивлений R5, R10, R16, R17:



7) для сопротивления R6:

;

8) для сопротивления R9:

;

9) для сопротивления R11:

10) для сопротивления R13, R15:

;

11) для сопротивления R18:

(МЛТ 0,125 Вт).

То есть используемые сопротивления можно брать из стандартного ряда сопротивлений МЛТ 0,125 Вт.

Размещено на Allbest.ru