Учебная работа. Проектирование источника опорного напряжения, моделирование одного из его узлов

Учебная работа. Проектирование источника опорного напряжения, моделирование одного из его узлов

19

Содержание

• Введение
• 1. Аналитический обзор
• 2. Расчет на структурном уровне
• 3. Выбор частей электронной схемы
• 3.1 Расчет мостового выпрямителя
• 3.2 Стабилизатор
• 3.3 Выбор емкости сглаживающего фильтра
• 3.4 Повторитель напряжения
• 3.5 Элемент памяти
• 3.6 Коммутатор
• 5. анализ метрологических черт
• Заключение
• Перечень использованных источников
• приложение А

Введение
Объектом выполнения работы является источник опорного напряжения.
Цель работы — проектирование источника опорного напряжения, моделирование 1-го из его узлов.
В процессе работы проводились аналитический обзор, расчеты на структурном уровне, выбор частей и разработка принципной электронной схемы, электронное моделирование 1-го из узлов системы.
В итоге был спроектирован источник опорного напряжения, соответственный требованиям технического задания.
Степень внедрения — учебное проектирование.
Источники опорного напряжения (ИОН) предусмотрены для сотворения неизменного опорного напряжения.
Прецизионные источники опорного напряжения (ИОН) необходимы в почти всех вариантах, и область их внедрения повсевременно расширяется. Это измерительные приборы, системы связи, даже зарядные устройства литиевых батарей, но почаще всего необходимость в их возникает при построении аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), представляющих на выходе отношение входного напряжения к опорному в цифровой форме и цифро-аналоговых (ЦАП), на выходе которых получают напряжение опорного источника в масштабе, определяемом кодом на его цифровом входе. Некие из таковых устройств имеют интегрированный опорный источник, неким нужен наружный, нередко устройство может работать как с наружным, так и внутренним источником.
Стоимость ИОН обычно составляет малую часть системы в целом, но может оказать существенное воздействие на ее результирующие свойства, потому нет особенного смысла сберегать нем. Не считая того, часто система включает несколько устройств, с своими ИОН, и для понижения общей погрешности системы целенаправлено применять один ИОН для всех устройств.

источник опорное напряжение стабилизатор

1. Аналитический обзор
В качестве примера простого ИОН можно привести схему стабилизатора. Схема выполнена на одном резисторе и одном стабилизаторе (набросок 1.1).
Набросок 1.1 — Стабилизатор
Данная схема не подступает для решения поставленной задачки.
Спектр перегрузки такового источника ограничен очень допустимым током стабилизации стабилитрона. Токоограничительный резистор выбирают из расчёта: R = En/ Iст max. При всем этом наибольший ток перегрузки Iн max = Iст max — Iст min.
На практике, как правило, употребляют схемы ИОН, построенных на выпрямителе, сглаживающем фильтре и стабилизаторе (набросок 1.2).
Набросок 1.2 — Многофункциональная схема ИОН
1-ый многофункциональный узел источника питания — это выпрямитель: устройство, созданное для преобразования энергии источника переменного тока в неизменный ток. Трансформатор на входе диодной схемы делает вспомогательную роль. Его функция сводится к увеличению либо снижению вторичного напряжения U2 при данном первичном напряжении U1. Мостовая схема выпрямления отыскала наибольшее применение в маломощных выпрямителях однофазного тока. Принцип выпрямления основывается на получении при помощи диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения U2 (wt) однополярных полуволн напряжения на Ud (wt).
Сглаживающие фильтры делают на базе реактивных частей — дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно огромное и маленькое сопротивления переменному току и напротив — неизменному току. Методом выбора характеристик фильтра получают неизменное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. наличие сглаживающего фильтра оказывает существенное воздействие на режим работы выпрямителя и его частей. Меж сглаживающим фильтром и перегрузкой быть может стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с нужной точностью требуемой величины неизменного напряжения на перегрузке в критериях конфигурации напряжения питающей сети и тока перегрузки.
Схема, представленная на рисунке 1.2 быть может применена как макет, т.к. практически вполне удовлетворяет требования технического задания.
2. Расчет на структурном уровне
Многофункциональная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке А.1 приложения А.
Данная схема схожа той, что представлена на рисунке 1.2, кроме того, что в неё добавлено 3 элемента: повторитель напряжения, коммутатор и элемент памяти.
Проведём предназначение требований узлам многофункциональной схемы (набросок А.1) в согласовании с технических заданием.
В техническом задании не описано, каким обязано быть выходное напряжение, потому из расчёта, что на выпрямителе падение напряжения составляет около 2,5 вольт, подадим на вход 17,5 и 122,5 вольт на входы выпрямителей, 17,5 для ИОН вырабатывающего 10 В и 122,5 для ИОН вырабатывающего минус 100 В соответственно.
На выходе выпрямителей напряжение будет составлять 15 и минус 120 вольт. С помощью выпрямителя из двуполярной синусоидальной кривой напряжения Uвх (щt), получатся однополярные полуволны напряжения на Uвых (щt), как показано на рисунке 2.2.
Набросок 2.2 — Временные диаграммы выпрямления
Напряжение Uвых (щt) охарактеризовывает кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее неизменная составляющая Ud описывает среднее наличие переменной составляющей является ненужным, потому параллельно перегрузке подключается фильтр на выходе и входе которого обязано быть однообразное напряжение 15 и минус 120 вольт.
На выходе стабилизатора мы должны получить требуемое напряжение, описанное в техническом задании, с непостоянностью не наиболее 0,5%. Коэффициент стабилизации можно высчитать по формуле [1]:
, (1)
где . Для В В, В, В, В. Для В В, В, В, В. Из формулы (1) , .
Повторитель напряжения нужен чтоб уменьшить выходное сопротивление источника до подходящей величины в 0,1 Ом.
Чтоб обеспечить автоматический выбор со стороны наружной ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) 1-го из источников, нужен элемент памяти и коммутатор. От ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) поступает сигнал по однобитной шине, который храниться в элементе памяти, который в свою очередь передаёт его на коммутатор, чтоб тот открыл выход или напряжению в 10 В, или в минус 100.
Таблица 1

Наимено-вание параметра

Обозна-чение параметра

Едини-ца изме-рения

значения характеристик блоков

Вы-прями-тель

Фильтр

Стаби-лизатор

Повтори-тель напряже-ния

Элемент памяти

Комму-татор

Входные

Uвх1

В

17,5

15

15

10

Uвх2

В

122,5

-120

-120

-100

Vвых

Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)

50

Выходные

Uвых1

В

15

15

15

10

Uвых2

В

-120

-120

-120

-100

Rвх

0,1

Остальные

Сигнал1

бит

0

0

Сигнал2

бит

1

1

3. Выбор частей электронной схемы
3.1 Расчет мостового выпрямителя
Схема мостового выпрямителя приведена на рисунке 3.1.
Набросок 3.1 — Мостовой выпрямитель
Разглядим выбор диодов выпрямителя.
Оборотное напряжение диодов рассчитывается по формуле:
Uобр = Uвх • (2)
Согласно таблице 1 Uвх1 = 17,5 В, Uвх2 = 122,5 В. Как следует, Uобр1 = 24,75 В, Uобр2 = 173,24 В. Исходя из этих данных можно избрать диоды. Диоды выбирают так, чтоб 3.2 Стабилизатор
Схема стабилизатора приведена на рисунке 3.3.1.
Набросок 3.12 — Стабилизатор
Разглядим выбор стабилитрона и сопротивления R0.
Стабилитрон подбирается из условия: Uст = Uвых, где Uст — напряжение стабилизации, Uвых — напряжение на выходе. Для ИОН, вырабатывающего 10 В подойдёт модель стабилитрона Д814В (Iст = 5 мА), для ИОН вырабатывающего минус 100 В подойдёт модель стабилитрона Д817В (Iст = 50 мА) [1]. Сопротивление R рассчитывается по формуле [1]:
R = , (3)
где — напряжение на входе стабилизатора; — ток стабилизации. Для ИОН, вырабатывающего 10 В R = 3 кОм, для ИОН, вырабатывающего минус 100 В R = 2,4 кОм.
3.3 Выбор емкости сглаживающего фильтра
На рисунке 3.2 изображена схема простого сглаживающего емкостного фильтра. Он подключается параллельно перегрузке чтоб сглаживать пульсации, обычно конденсатор берут большенный ёмкости.
Набросок 3.2 — Простой емкостной фильтр
Форма сигнала, получаемого на выходе фильтра, представлена на рисунке 3.3.
Набросок 3.3 — Вид сигнала опосля внедрения сглаживающего фильтра
Его ёмкость можно высчитать по формуле:
, (4)
где — период, а f — частота, равная по техническому заданию 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ); Iн = Iст — ток перегрузки; Uпульс — напряжение пульсации, которое можно высчитать по формуле:
, (5)
где q — коэффициент пульсации; Ud — выходное напряжение, равное 15 В, для ИОН, вырабатывающего 10 В, и минус 120 В для ИОН, вырабатывающего минус 100 В. Формула для расчёта ёмкости воспримет вид:
. (6)
Для ИОН, вырабатывающего 10 В С = 66 666 мкФ, для ИОН, вырабатывающего минус 100 В С = 83 333 мкФ.
3.4 Повторитель напряжения
Повторитель напряжения — неинвертирующий усилитель, с коэффициентом усиления равным единице, предназначен для того, чтоб уменьшить выходное сопротивление цепи.
Схема повторителя напряжения приведена на рисунке 3.4.1.
Набросок 3.4.1 — Повторитель напряжения
Разглядим выбор операционного усилителя (ОУ).
нужно подобрать ОУ таковым, чтоб выходное сопротивление было не больше 0,1 Ом. Выходное сопротивление повторителя напряжения можно отыскать по формуле [3]:
,
где RвыхОУ — сопротивление на выходе ОУ; KuОУ — коэффициент усиления ОУ. Для ИОН, вырабатывающего 10 В подойдёт усилитель общего внедрения КР140УД11, у которого RвыхОУ = 5000 Ом, KuОУ = 50000 [4]. Для ИОН, вырабатывающего минус 100 В подойдёт мощнейший высоковольтовый усилитель РА30, у которого RвыхОУ = 50000 Ом, KuОУ = 500000 [5].
3.5 Элемент памяти
Элемент памяти должен быть способным сохранять двоичную информацию либо 1 бит инфы (состояния <<0>>, <<1>>). Для этого подойдёт D-триггер. D-триггер сохраняет состояние на выходе опосля снятия сигнала с информационного входа до прихода еще одного импульса. Он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход C. Если на входе D единичный сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в единицу (инверсный — в нуль), если же на входе D — нулевой сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в нуль (инверсный — в единицу). На выходе сигнал будет таковым же, как и на входе, а на выходе инверсный. D-триггер представлен на рисунке 3.4.1.
Набросок 3.4.1 — D-триггер
D-триггер на практике реализуется с помощью микросхемы 155ТМ2. При единичном состоянии триггера на его выходе будет напряжение низкого уровня, а при нулевом состоянии — высочайшего уровня. На выходе будем получать ток Iв. у. равный 0,6 мА, и Iн. у. = 16 мА [5].
3.6 Коммутатор
В качестве коммутатора можно взять реле. Реле — электронный аппарат, созданный для коммутации электронных цепей (скачкообразного конфигурации выходных величин) при данных конфигурациях электронных либо не электронных входных величин. Обширно употребляется в разных автоматических устройствах. Для нашей схемы на реле будет подаваться ток I равный 0,6 мА для состояния <<0>>, и 16 мА для состояния <<1>>. Сиим требованиям удовлетворяет реле РС4.524.300 у которого, ток срабатывания Iср 6 мА, ток отпускания Iотп 0,8 мА [1]. Когда от ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) поступает <<0>>, будет врубаться ИОН, вырабатывающий 10 В, когда поступает <<1>>, будет врубаться ИОН, вырабатывающий минус 10 В.
Электронное моделирование схемы
Проведем моделирование выпрямителя с фильтром ИОН, вырабатывающего 10 В.
Используем для моделирования среду Micro-CAP 8 [7]. Схема выпрямителя с фильтром приведена на рисунке 4.1:
Набросок 4.1 — Схема для моделирования
Итог моделирования приведен на рисунке 4.2:
V (V1) — начальное напряжение;
V (3) — напряжение на выходе фильтра.
Набросок 4.2 — Итог моделирования
5. анализ метрологических черт
Для доказательства работоспособности разработанного проекта и соответствия его черт требованиям технического задания приведем его главные свойства:
На выходе сформированы напряжения в 10 В и минус 100 В.
Непостоянность выходного напряжения не наиболее 0,5%, за счёт подбора стабилитронов в стабилизаторах напряжения.
Выходное сопротивление источников не наиболее 0,1 Ом, реализовано за счёт подбора операционных усилителей в повторителях напряжения.
Обеспечена возможность выбора 1-го из источников опорного напряжения со стороны наружной ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) с помощью запоминающего устройства и реле.
Заключение
В итоге проектирования было создано устройство для сотворения опорного напряжения, соответственное требованиям технического задания.
Был проведен анализ справочной литературы, в процессе которого были найдены аналоги и макет, на базе которых и разработан данный ИОН.
Были составлены многофункциональная и принципная схемы устройства.
Был проведен расчет многофункциональных узлов данного устройства на структурном уровне, опосля которого были проведены нужные конфигурации и дополнения в структуре макета.
При помощи средств ППП для моделирования аналоговых схем Micro-CAP 8 был проведен анализ метрологических черт 1-го из узлов схемы. анализ показал, что узел работает верно, в согласовании с данными, приобретенными на стадии расчета, на структурном уровне.
Приобретенный ИОН соответствует требованиям технического задания.
Перечень использованных источников

1.

Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. — Киев: Наук. Думка, 1989. — 800 с.: ил.

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

3. Никонов А.В. Электротехника и электроника: Конспект лекций. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. Ч.2. — 84 с.

4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др. — М.: Радио и связь, 1989. — 496 с.: ил.

5. электрический справочник на www.radiomaster.net.

6. Базы метрологии и электронные измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др. — Л.: Энергоатомиздат, 1987. — 480 с.: ил.

7. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6. — М.: ТОО «Солон», 1999. — 273 с.: ил.

приложение А
Вид листа для многофункциональной электронной схемы
Ниже, на рисунке А.1, представлена многофункциональная схема проектируемого ИОН.
Набросок А.1 — Многофункциональная схема

]]>