Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет - УПИ
Кафедра РЭИС
УМЗЧ для автомобильного радиокомплекса
"МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ НА ЭВМ"
по курсу "Автоматизированное проектирование РЭС"
2301 000 0ИЗ 50 ПЗ
Екатеринбург 2005
Содержание
Содержание
Список условных обозначений
Введение
1. Техническое задание
2. Основная часть
2.1 Анализ технического задания
2.2Выбор проектных процедур анализа
2.3 Анализ схемы по постоянному току
2.4 Анализ схемы по переменному току
2.5 Анализ переходных процессов
2.6 Анализ частотных свойств
2.7 Анализ спектральной плотности внутренего шума
2.8 Анализ Фурье – гармоник
2.9 Анализ характеристик на влияния температуры
2.10 Анализ характеристик при применении процедуры WCASE
Заключение
Список литературы
Приложение 1: Принципиальная схема усилителя мощности
Приложение 2: Амплитудно-частотная характеристика
Приложение 3: Шумовая характеристика
Приложение 4: Амплитудно-шумовая характеристика
Приложение 5: График скорости нарастания выходного напряжения
Приложение 6: График выходного напряжения при процедуре WCASE
Приложение 7: Выходной файл
Список условных обозначений
В ходе выполнения данной работы в пояснительной записке использованы следующие условные обозначения и сокращения:
ПК - персональный компьютер;
ЭВМ - электронная вычислительная машина;
ТЗ - техническое задание.
ПО - программное обеспечение;
РЭА - радиоэлектронная аппаратура;
РЭУ - радиоэлектронное устройство;
РЭС - радиоэлектронная схема;
ООС - отрицательная обратная связь;
ЗЧ - звуковая частота;
УМЗЧ - усилитель мощности звуковой частоты
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
Внедpение в инженеpную пpактику методов автоматизированного пpоектиpования позволило пеpейти от тpадиционного макетиpования pазpабатываемой аппаpатуpы к ее моделиpованию с помощью ПК. И более того, с помощью ПК возможно осуществить цикл сквозного проектиpования, включающий в себя:
· синтез структуры и принципиальной схемы устройства;
· анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов, наличия дестабилизиpующих факторов и паметрическую оптимизацию;
· синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и pазводку межсоединений;
· выпуск конструкторской документации.
В настоящее время для схемотехнического проектирования аналоговой радиоаппаратуры наиболее распространены в мире программы семейства PSpice фирмы "MicroSim Corp". Они имеют наиболее полную библиотеку математических моделей полупроводниковых компонентов. Описание схемы вводится в программу двояко: в списочном виде с помощью любого текстового pедактоpа для OrCad или в виде пpинципиальной электpической схемы с помощью гpафических pедактоpов систем P-CAD, Micro-Cap.
1. Техническое задание
При выполнении работы предполагается:
· ознакомление с современным на сегодняшний день ПО, предназначенным для схемотехнического моделирования и анализа аналоговой и аналого-цифровой РЭА;
· ознакомление и изучение основных проектных процедур схемотехнического этапа проектирования РЭА;
· закрепление и углубление знаний методов расчета РЭУ и элементной базы РЭА;
· оценка возможностей исследованного ПО по анализу РЭС;
Необходимо смоделировать УМЗЧ с целью проверить соответствие его характеристик техническим требованиям, предъявляемым к данному типу устройств, а также получить, по возможности, дополнительные сведения об этом устройстве.
Основные технические характеристики усилителя
Номинальный диапазон частот, Гц 20...20000
Номинальная выходная мощность , Вт ,при напряжении питания 13,2В,
и сопротивлении нагрузки, Ом
8 4
4 6
Коэффициент гармоник, %, не более , при номинальной выходной мощности, на частоте, Гц:
20 0,055
1000 0,05
10000 0,055
20000 0,08
Входное сопротивление, кОм 47
Cкорость нарастания выходного напряжения , В/мкс, не менее 3
Отношение сигнал/шум (невзвешенное), дБ 80
Отношение сигнал/фон , дБ 70
Ток покоя , мА , при напряжении источника питания ,
13,2B 50
Коэффициент полезного действия при номинальной
Выходной мощности , % 47
2. Основная часть
2.1 Анализ технического задания
При разработке данного усилителя мощности ЗЧ для автомобильных и переносных радиокомплексов было проанализировано и проверено экспериментально большое число схемотехнических решений усилителей аналогичного назначения. Цель исследований – определение схемотехнического решения усилителя ЗЧ ,позволяющего получить наилучшие технические характеристики при наименьшем числе деталей , небольшой трудоемкости изготовления и простоте настройки.
Как выяснилось , полнее всего этим требованиям удовлетворяет усилитель мощности на базе “параллельного” усилителя. Однако двуполярное питание и относительно большой уровень нелинейных искажений вследствие использования диодного коммутатора не позволили воспользоваться этой оригинальной схемой применительно к автомобильной радиоаппаратуре с низковольтным питанием. Поэтому была проведена соответствующая доработка данного усилителя, в результате которой удалось создать УМЗЧ, питающийся от однополярного низковольтного источника и обладающий высокой линейностью.
Работоспособность усилителя сохраняется при изменении напряжения источника питания от 6 до 16В и колебаниях температуры окружающей среды от –40 до +60 оС.
Принципиальная схема усилителя приведена в приложении 1. Он состоит из фазоинверторного каскада на транзисторе VT1 и двухканального усилителя мощности на ОУ DA1,DA2 и транзисторах VT3,VT5,VT7,VT8 и VT4,VT6,VT9,VT10, включенных по мостовой схеме. Входной сигнал поступает на инвертирующие входы ОУ, неинвертирующие же входы подключены к делителю напряжения, образованному переменным резистором R8, в результате чего мост оказывается сбалансированным по постоянному току в широком диапазоне напряжений источника питания. В среднем положении движка резистора R8 постоянное напряжение на эмиттерах транзисторов VT7,VT8,VT9 и VT10 примерно равно половине напряжения источника питания.
Идентичность каналов УМЗЧ, а также наличие возможности регулирования напряжения смещения на выходе ОУ DA2 резистором R14, позволили ограничить постоянное напряжение на выходе усилителя очень небольшой величиной (единицы милливольт), которое к тому же практически не меняется в широком диапазоне температуры окружающей среды и питающего напряжения. Включенный в цепь ООС R15C7R9C3 подстроечный резистор R13 обеспечивает возможность установки одинаковых уровней противофазных напряжений на выходах каналов и получение максимально возможной при данном напряжении питания выходной мощности УМЗЧ.
Отсутствие в усилителе разделительных электролитических конденсаторов большой емкости исключает перегрузку громкоговорителя, вследствие переходных процессов в момент включения и выключения питания, а также подключения к аккумулятору мощных потребителей электроэнергии (стартера, указателей поворотов, электродвигателя вентилятора системы охлаждения) в случае эксплуатации конструкции в работающем автомобиле.
2.2 Выбор проектных процедур анализа
Исходя из ТЗ будем выполнять следующие процедуры:
· анализ режима цепи по постоянному току;
· анализ режима цепи по переменному току;
· анализ переходных процессов при воздействии синусоидального сигнала;
· анализ частотных характеристик;
· анализ спектральной плотности внутреннего шума;
· анализ Фурье гармоник отклика цепи на синусоидальный сигнал;
· анализ характеристик на влияния температуры;
· анализ характеристик при применении процедуры WCASE
2.3 Анализ схемы по постоянному току
При анализе режима цепи по постоянному току настраивается рабочая точка УМЗЧ. При расширенном анализе на постоянном токе проводится исследование чувствительности рабочей точки. Анализ переходных процессов при воздействии различных сигналов, а также анализ Фурье гармоник отклика цепи на синусоидальный сигнал проводится для определения уровня номинальной и максимальной выходной мощности, а также уровня нелинейных искажений при номинальном входном напряжении.
2.4 Анализ схемы по переменному току
В данной части работы проводился анализ переходных процессов при воздействии прямоугольного импульса с целью измерения скорости нарастания выходного напряжения. Для этого на вход схемы подавался импульсный сигнал и строилась зависимость производной напряжения на выходе от времени в режиме Transient анализа. Из полученных результатов видно, что скорость нарастания выходного напряжения составляет около 0,5 В/мкс.
2.6 Анализ частотных свойств
2.7 Анализ спектральной плотности внутреннего шума