Суммирующий и вычитающий усилитель на базе операционного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О СУММАТОРАХ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

1.1 Общие сведения и принцип работы сумматора на базе операционного усилителя

1.2 Общие сведения и принцип работы операционного усилителя

РАЗДЕЛ 2. РАСЧЁТ СУММАТОРА НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ СУММАТОРА НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЯ

РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА 3D МОДЕЛИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ СУММАТОРА НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Тема курсового проекта является актуальной, так как результаты проектирования могут использоваться в учреждении образования «Белорусская государственная академия авиации» в ходе практического занятия № 2.2.8: «Разработка модели суммирующего и вычитающего усилителей на базе операционного усилителя». Целью курсового проекта является разработка и исследование модели сумматора на базе операционного усилителя.

Цель курсового проекта - разработка модели для исследования сумматоров на базе операционного усилителя.

Основными задачами курсового проекта являются:

- анализ существующей элементной базы для разработки и исследования модели сумматора,

- выбор основных требований, предъявляемых к разрабатываемому сумматору,

- разработка 3D модели печатной платы сумматора на базе операционного усилителя.

Объектом курсового проекта являются сумматоры на базе операционного усилителя.

Предметом курсового проекта является модель сумматора.

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О СУММАТОРАХ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

1.1 Общие сведения и принцип работы сумматора на базе операционного усилителя

Сумматором называется устройство, выходное напряжение которого является суммой напряжений на его входе. Сумматор напряжений на базе ОУ в своей базовой реализации больше всего близок к законченному каскаду звукового устройства. Конечно же, данное устройство применяется не только в аудиотехнике. Сумматорами активно пользуются при построении схем измерительных инструментов, медицинских приборов, устройств обработки ВЧ и СВЧ сигналов. Принцип работы сумматора заключается в том, что все сигналы со всех входов складываются по напряжению и уже сложенные подаются на выход схемы. При этом может быть задан коэффициент усиления как самого сумматора, так и коэффициент ослабления каждого отдельно взятого сигнала. Количество входов сумматора не ограничено. Устройства, реализующие операцию сложения сигналов, могут быть выполнены на основе как инвертирующего, так и неинвертирующего усилителя. Инвертирующий сумматор строится на основе инвертирующего усилителя и предназначен для формирования на выходе напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных напряжений, т. е. выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом суммарный сигнал дополнительно инвертируется, отсюда и название - инвертирующий сумматор. Неинвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений не изменяя её знак [1].

Рассмотрена схема сумматора, приведенная на рисунке 1.1.

Выходное напряжение сумматора (формула 1.1):

(1.1)

где - коэффициенты усиления (весовые коэффициенты) (формула 2.3) по входам:

(1.2)

где - сопротивление обратной связи (резистор), - сопротивление в цепи данного входа.

Рисунок 1.1 - Схема параллельного инвертирующего сумматора на ОУ

Для нормальной работы сумматора надо уравнять сопротивления по обоим входам. В противном случае входные токи ОУ вызовут на них неодинаковое падение напряжений и на входе ОУ появиться разностный сигнал, который будет им усилен. На выходе будет при отсутствии . Входное сопротивление по инвертирующему входу (формула 2.5):

(1.3)

Чтобы выровнять входные сопротивления параллельно инвертирующему входу, надо включить резистор R6 так, чтобы:

После всех расчётов происходит моделирование сумматора.

1.2 Общие сведения и принцип работы операционного усилителя

Операционный усилитель это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы. В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов[2].

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

- выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.

- входы усилителя не расходуют ток. Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим.

Второй вход обозначен знаком «-», считается инвертирующим. Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал. Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи. Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение. Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением[3].

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или иных активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

РАЗДЕЛ 2. РАСЧЁТ СУММАТОРА НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Суммирующий сумматор реализует функцию, заданную формулой 2.1:

Схема данного сумматора представлена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 ??? Схема параллельного инвертирующего сумматора на ОУ

Выходное напряжение инвертирующего сумматора формула (2.2):

сумматор операционный усилитель

(2.2)

где - коэффициенты усиления (весовые коэффициенты) (формула 2.3) по входам:

(2.3)

где - сопротивление обратной связи (резистор), - сопротивление в цепи данного входа.

Заданное значение сопротивления обратной связи приведено к значению согласно ряду резисторов Е24 и равняется 56кОм. По значению (равному 56 кОм) и весовым коэффициентам входов ( равно 7; равно 6; равно 8; равно 3; равно -2; равно -1; равно -3;) определены сопротивления для каждого входа по выражению (2.4):

(2.4)

Для реализации в технике примем номинальные значения сопротивлений резисторов, которые соответствуют ряду Е24. Значения сопротивлений резисторов =8,2 кОм, =9,1 кОм, =6,8 кОм, =18 кОм, =27 кОм, =56 кОм, =18 кОм, =3,3 кОм, =56 кОм.

Для нормальной работы сумматора надо уравнять сопротивления по обоим входам. В противном случае входные токи ОУ вызовут на них неодинаковое падение напряжений и на входе ОУ появиться разностный сигнал, который будет им усилен. На выходе будет при отсутствии .

Входное сопротивление по инвертирующему входу (формула 2.5):

(2.5)

Входное сопротивление по неинвертирующему входу:

Для реализации в технике принято номинальное значение компенсирующего сопротивления резистора, которое соответствует ряду Е24. Согласно ряду резисторов Е24

При единичном входном напряжении 100 мВ. Доля входов составит (выражение 2.7):

(2.7)

Выходное напряжение сумматора (выражение 2.8):

(2.8)

Для реализации в технике рассчитаем выходные напряжения и получим следующее (выражение 2.9):

(2.9)

Рисунок 2.2 - Сравнение теоретических и расчетных выходных напряжения для параллельного сумматора на ОУ

Рассчитаем абсолютную погрешность для выходного напряжения (выражение 2.10):

(2.10)

Рассчитаем относительную погрешность для выходного напряжения (выражение 2.11):

(2.11)

В ходе выполнения расчёта сумматора, были получены расчётные значения напряжений входов.

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ СУММАТОРА НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЯ

Применение имитационных моделей дает множество преимуществ по сравнению с выполнением экспериментов над реальной системой и использованием других методов. Одними из них являются:

- стоимость: для принятия обоснованного решения поможет имитационная модель, затраты на применение которой состоят лишь из цены программного обеспечения.

- время: имитационная модель позволяет определить оптимальность таких изменений за считанные минуты, необходимые для проведения эксперимента.

- точность: имитационное моделирование позволяет описать структуру системы и её процессы в естественном виде, не прибегая к использованию формул и строгих математических зависимостей.

- наглядность: имитационная модель обладает возможностями визуализации процесса работы системы во времени, схематичного задания её структуры и выдачи результатов в графическом виде. Это позволяет наглядно представить полученное решение.

- универсальность: имитационное моделирование позволяет решать задачи из любых областей.

Сложные функции моделирующего алгоритма могут быть реализованы средствами универсальных языков программирования (Паскаль, Си), что предоставляет неограниченные возможности в разработке, отладке и использовании модели. Однако подобная гибкость приобретается ценой больших усилий, затрачиваемых на разработку и программирование весьма сложных моделирующих алгоритмов, оперирующих со списковыми структурами данных. Альтернативой этому является использование специализированных языков имитационного моделирования.

Специализированные языки имеют средства описания структуры и процесса функционирования моделируемой системы, что значительно облегчает и упрощает программирование имитационных моделей, поскольку основные функции моделирующего алгоритма при этом реализуются автоматически. Программы имитационных моделей на специализированных языках моделирования близки к описаниям моделируемых систем на естественном языке, что позволяет конструировать сложные имитационные модели пользователям, не являющимся профессиональными программистами.

Одним из наиболее эффективных и распространенных языков моделирования сложных дискретных систем, к примеру, являются языки Multisim, GPSS (GeneralPurposeSimulationSystem), Delphi, Simulink и другие. В качестве объектов языка используются аналоги стандартных компонентов схемы. Достаточный набор подобных компонентов позволяет конструировать сложные имитационные модели. В данной программе исследована разработанная схема сумматора на ОУ. Построена схема параллельного сумматора на операционном усилителе (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 - Модель разработанного сумматора на операционном усилителе

Включаем в схему осциллограф (рисунок 3.2):

Рисунок 3.2 - Модель разработанного сумматора на операционном усилителе с осциллографом

С осциллографа снимаем параметры выходного напряжения Uвых, подаем на все входы напряжение 0.1мВ (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Выходное напряжение Uвых

Рисунок 3.7 - Сравнение практического и расчетного выходного напряжения для суммирующего сумматора на ОУ

Рассчитана абсолютная погрешность для выходного напряжения (выражение 2.10):

(3.1)

Рассчитана относительная погрешность для выходного напряжения (выражение 2.11):

(3.2)

Разработанная модель имеет очень низкую погрешность.

РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА 3D МОДЕЛИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ СУММАТОРА НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

3D моделирование является лишь небольшой частью единого сложного процесса по проектированию электронных устройств (печатных плат). На рисунке 4.1 представлена разработанная 3D модель печатной платы сумматора на базе операционного усилителя.

Рисунок 4.1 - 3D модель печатной платы сумматора на базе операционного усилителя

Данная модель разработана в программе Multisim. Система Multisim предоставляет средства для создания электрических схем, а также для разработки и трассировки печатных плат, которая производится в редакторе Ultiboard. Ultiboard используется для разработки печатных плат, подготовки результатов проектирования к производству, обладает возможностью автоматизированного размещения компонентов на плате и автоматической трассировки, а так же предоставляет разработчикам возможность работать в ее среде как в системе 3D моделирования, в результате чего печатная плата и ее компоненты будут отображены в реальном виде. Средства Ultiboard позволяют формировать трехмерные модели компонентов из плоских графических данных из библиотек топологических посадочных мест, разрабатывать собственные модели посредством импорта сложных контуров компонентов, а также при помощи специального мастера. Трассировка проводников платы в Ultiboard может быть проведена вручную или автоматически. В программе Ultiboard есть возможность просматривать разработанную плату в 3D изображении. Для просмотра платы в трех измерениях необходимо выбрать в основном меню программы «Инструментарий» команду «Вид 3D», в результате чего в проекте будет открыта новая вкладка «3D вид». Для получения наиболее полного представления о габаритах разработанной платы 3D изображение на данной вкладке можно поворачивать во всех плоскостях. Манипулируя курсором с помощью мыши, можно изменять угол обзора и положение платы в пространстве. Посредством вращения колесика мыши можно производить масштабирование 3D изображения платы. На вкладке «3D вид» находится панель разработки, на которой размещено две вкладки: «Проекты» и «Слои». Управлять отображением элементов 3D изображения платы (компоненты, шелкография, проводники, плата, выводы) можно путем установки/снятия флажков в соответствующих чекбоксах на вкладке «Слои». Программа Multisim & Ultiboard используется в качестве среды разработки электронных устройств благодаря наличию интерактивных компонентов, возможности контроля и снятия данных с измерительных приборов в процессе моделирования схем, а также благодаря возможности проведения измерения аналоговых и цифровых сигналов. Большим преимуществом является наличие в данной среде разработки программы проектирования топологии печатных плат. В данной плате были использованы элементы приведенные ниже в таблице 1:

Таблица 1 ??? Элементы, используемые в схеме

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсового проекта была разработана модель сумматора на базе операционного усилителя. Для разработки данной модели, была проанализирована литература по основам цифровой техники, изучены основные типы схем сумматоров и принципы их функционирования. Также была разработана 3D модель печатной платы сумматора на базе операционного усилителя. Разработанная 3D модель может найти широкое применение в учебном процессе курсантов, которые могут применять данные знания как в авиации, так и быту, так как данная модель проста в исполнении, а также не требует больших материальных затрат.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 с.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 496 с.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.- 622 с.

Полупроводниковые приборы. Справочник/ Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 744 с.

Размещено на Allbest.ru