Моделювання елементів і каналу системи збору даних (стр. 1 из 2)
Зміст
Вступ
1 Аналітичний огляд
2 Розрахунок основних блоків
2.1 Вибір мікросхеми підсилювача
2.2 Розрахунок операційного підсилювача
2.3 Розрахунок ФВЧ
2.4 Розрахунок ФНЧ
3 Частотний аналіз
3.1 Аналіз операційного підсилювача
3.2 Аналіз ФНЧ
3.3 Частотний аналіз всієї схеми
4 Вплив елементів
4.1 Вплив елементів на підсилювач
4.2 Вплив елементів на ФНЧ
4.3 Вплив елементів на ФНЧ
4.4 Багатоваріантний вплив на загльну схему
5 Еквівалентна модель
5.1 Еквівалентна модель підсилювача
5.2 Еквівалентна модель загальної схеми
5.3 Еквівалентна модель загальної схеми
ВСТУП
Моделювання електронних схем за допомогою персональних комп'ютерів є універсальним інструментом розробки й оцінки якості проектних рішень, тобто працездатність і коректність роботи будь-якої схеми.
Моделювання має ряд переваг перед фізичним макетуванням, у тому числі:
- повторюваність експерименту; відсутність можливості "спалити";
- гнучкість і швидкість одержання результатів;
- відсутність монтажних робіт і необхідних для цього інструментів і матеріалів (паяльника, припою, флюсу, монтажної плати, електрорадіоелементів і ін.);
- непотрібність дорогих контрольно-вимірювальних приладів.
За допомогою комп'ютерного моделювання можна "простежити" будь-який струм і напруга в схемі, оцінити вплив температури і технологічного розкиду параметрів електрорадіоелементів, розрахувати рівень власних шумів, зняти АЧХ, ФЧХ, простежити за перехідними процесами, дослідити схему заміщення і багато чого іншого, що чи неможливо вимагає значних зусиль при фізичному макетуванні.
Слід зазначити, що моделлю може бути як конкретна схема, так і абстрактний процесу, відображуючи натуру, а використання технічних засобів додає моделюванню експериментальний характер, а модельний математичний опис теоретично розкриває характер явища.
В даної курсової роботи буде проведене моделювання електричної схеми на базі пакета Micro-Cap
1 АНАЛІЗ ЗАВДАННЯ
Метою курсового проектування є розробка схеми, яка забезпечувала б коефіцієнт посилення вхідного сигналу К=3, мала б два фільтра високих частот з частотою зрізу F=10Гц (ФНЧ ) та низьких частот (ФВЧ) з частотою зрізу F=10кГц.
a) Посилювач Краз=3 або у КДБ=9.42 ДБ
b) ФВЧ 2-го рівня Fcp=10 Гц
c) ФНЧ 2-го рівня Fcp=10 кГц
Функціональну схема зображена на Рисунку 1.1
 |
Рисунку 1.1 – Функціональна схема
2 РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ БЛОКІВ
2.1 Вибір мікросхеми підсилювача
В якості датчика було обрано фоторезистор, опір якого в робочому режимі змінюється від 15 кОм до 80кОм, напруга його живлення – 5В. В той же час, максимальна на вході кінцевого пристрою дорівнює 15В, тому необхідно забезпечити коефіціент посилення 3 з максимальною точністю. Виходячи з цього скористаємось операційним підсилювачем, оберемо К140УД14А (LM108), з такими параметрами:
- Uпит=2х15 В;
- Кu=1000 ;
- Uсм=0,05 мВ;
- dIвх=0,2 нА;
- Rвх=50 Мом;
- Uвых.макс=12 В;
- Iпот=2 мА;
-
Iвх=0.5 нА; 
Рисунок 2.1 - Цоколівка підсилювача К140УД14А.
2.2 Розрахунок операційного підсилювача
Коефіціент підсилення інвертуючого підсилювача обраховується як: К=Roc/Rвх. Максимальний коефіціент підсилення має скласти 3, тому врахувавши світловий опір датчика 15000 Ом, знайдемо Roc=45000 Ом. Оскільки операційний підсилювач має внутрішню корекцію напруги зміщення – підключемо неінвертуючий вивод до землі.
Рисунок 2.2 – Схема підсилювача К140УД14 (LM108)
В моделі в якості джерела живлення використаємо джерело синусоїдальної напруги, напругою 5В, і частотою 10 кГц.
2.3 Розрахунок ФВЧ
Проведемо розрахунок ФВЧ другого порядку на необхідну частоту зрізу, використавши наступні викладки. Використовується операційний підсилювач LM108. Графічне зображення схема ФВЧ другого порядку подана на рис. 2.3.
Розрахуємо параметри елементів схеми:
Визначимо частоту полюсів
: 
Задамося значенням конденсаторів:
C*1=C3=2 мкФ
Знайдемо чому дорівнюють конденсатори С1 та С2:
, за умови R1=R2С1=С2=0.75 мкФ;
Знайдемо чому дорівнюють резистори R1 та R2:
Звідкіля: R1=R2=15923Ом;
Рисунок 2.3 – Схема ФВЧ другого порядку
2.4 Розрахунок ФНЧ
Проведемо розрахунок ФНЧ другого порядку на необхідну частоту зрізу, використавши наступні викладки. Використовується операційний підсилювач LM108. Графічне зображення схема ФНЧ другого порядку подана на рис. 2.4.
Розрахуємо параметри елементів схеми:
Визначимо частоту полюсів
: 
Задамося значенням резистрорів:
R*1=R3=1кОм
Знайдемо чому дорівнюють резистори R1 та R2:
Знайдемо чому дорівнюють конденсаторі С1 та С2
Звідкіля: C1=C2=1,02*10-8 =10,2нФ;
Рисунок 2.4 – Схема ФНЧ другого порядку
3 ЧАСТОТНИЙ АНАЛІЗ
3.1 Аналіз операційного підсилювача
Частотна характеристика зображена у децибелах на рисунку 3.1
Частотна характеристика зображена у разах на рисунку 3.2
Рисунок 3.1 –АЧХ підсилювача у децибелах
Рисунок 3.2 –АЧХ підсилювача у разах
З графіку видно коефіціент підсилення дорівнює 3 або у 9.5Дб, як і було розраховано.
3.2 Аналіз ФВЧ другого порядку
Рисунок 3.3 –АЧХ фільтра високих частот другого порядку
На рівні 3Дб коефіціенту підсилення приходиться частота зрізу 10 Гц, що свідчить про вірність розрахунку ФВЧ.
3.3 Аналіз ФНЧ другого порядку
Рисунок 3.4 –АЧХ фільтра низьких частот другого порядку
На рівні 3Дб коефіціенту підсилення приходиться частота зрізу 10 кГц, що свідчить про вірність розрахунку ФНЧ.
3.4 Частотний аналіз всієї схеми
Графічне зображення всієї схеми зображена на рисунку 3.5
Частотна характеристика всієї схеми зображена на рисунку 3.6
Рисунок 3.5 – Графічне зображення всієї схеми
Рисунок 3.6 – Частотна характеристика всієї схеми
4 ВПЛИВ ЕЛЕМЕНТІВ
4.1 Вплив елементів на підсилювач
КДБ=9.42 ДБ;
Резистор R5=15000 Ом, змінюється на ±10%
Макс. зміна R5=45000+(45000*0.1)=49500 Ом;
Мін. зміна R5=45000-(45000*0.1)=40500 Ом;
Рисунок 4.1 – Вплив резистору зворотнього зв’язку на підсилювач
Спостерігається зниження Кп (8.62Дб) на 8.4% від запланованого, при збільшенні опору резистора R5, і збільшення Кп (10.36Дб) на 9,9% від запланованого, при збільшенні значення резистора.
Резистор R4=15000 Ом, змінюється на ±10%
Макс. зміна R4=15000+(15000*0.1)=16500 Ом;
Мін. зміна R4=15000-(15000*0.1)=13500 Ом;
Рисунок 4.2 – Вплив резистору входу на підсилювач
Спостерігається посилення Кп (10.455Дб) на 11,1% від запланованого при зменшенні резистора вхідного резистору R9, і послаблення на 7,5% від запланованого, при збільшенні значення опору (8.71Дб).
4.2 Вплив елементів на ФВЧ
Fcp=10 Гц;
Резистор R1=16000 Ом, змінюється на ±10%;
Макс. зміна R1=16000+(16000*0.1)=17600 Ом;
Мін. зміна R1=16000-(16000*0.1)=14400 Ом;
Рисунок 4.3 – Вплив резистору R1 на ФВЧ
Спостерігається пониження напруги (-8.96Дб) на 2,6% від запланованого на частоті зрізу при підвищені значення резистора R1 , а при зменьщені значення опору R1 – підвищення (8.79Дб) на 3.5%. В загальному випатку можно ствердити що зміни не відбулися.
Fcp=10 Гц;
Резистор R2=16000 Ом, змінюється на ±10%;
Макс. зміна R2=16000+(16000*0.1)=17600 Ом;
Мін. зміна R2=16000-(16000*0.1)=14400 Ом;
Рисунок 4.4 – Вплив резистору R2 на ФВЧ
Спостерігається пониження напруги (-9.5Дб) на 6,9% від запланованого начастоті зрізу при пониженіпідвищені значення резистора R2 , а при підвищені значення опору R2– підвищення (-8.08Дб) на 9.5%.
Fcp=10 Гц;
Конденсатор С3=2 мкФ, змінюється на ±20%;