Разработка электронного функционального устройства, реализующего передаточную функцию (стр. 1 из 2)
Целью настоящего курсового проекта является разработка электронного функционального устройства реализующего заданную передаточную функцию.
Разработка устройства включает в себя проектирование принципиальной электрической схемы, разводку печатной платы, расчёт области нормальной работы и расчёт показателей надёжности.
Дополнительно к разработанному устройству составляется инструкция по эксплуатации.
Данные на курсовое проектирование
При курсовом проектировании следует разработать электронное функциональное устройство реализующее переставленный на рисунке 1.1 закон передачи.
Рисунок 1.1 – Структурная схема устройства
Требования к разработке:
1. Разрабатываемое функциональное электронное устройство должно реализовывать заданные передаточные функции с максимально возможной точностью в широком частотном диапазоне (150…510Гц).
2. Устройство должно быть реализовано на элементах отечественного производства, общепромышленного назначения. Входные и выходные сигналы должны соответствовать требованиям ГСП
3. Устройство должно быть выполнено на печатной плате с краевым разъемом. Блок питания находиться вне устройства и не разрабатывается.
4. Каждому элемент у структурной схемы соответствует 1 операционный усилитель. Устройство должно иметь 2 параметра настройки и 2 органа настройки. Органы настройки выполняются на резисторах. Все функциональные конденсаторы принять равными 1 мкФ.
5. Устройство должно иметь выходной каскад - ограничитель выходного напряжения. Уровень напряжения может настраиваться.
6. Рассчитать область нормальной работы устройства.
7. Графическая часть должна содержать:
1. Принципиальную схему устройства
2. Печатная плата.
3. Сборочный чертеж.
Разработка принципиальной схемы
Указанный в задании закон может быть реализован на операционном усилителе по схеме представленной на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Принципиальная схема звена, реализованного на операционных усилителях
Идеальная передаточная функция такого звена имеет вид
, (2.1)где
; 
; 
Таким образом, при фиксированном значении номинала конденсатора C1 (1 мкФ) функциональное устройство имеет два параметра настройки: коэффициент усиления (R1) и постоянная времени (R3).
Статический и динамический расчет
Формирующее устройство на операционном усилителе показано на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Формирующее устройство на операционном усилителе
Идеальная передаточная функция формирующего устройства на операционном усилителе при условиях
; 
;имеет вид
.Реальная передаточная функция формирующего устройства на операционном усилителе
.Реальная передаточная функция найдена путем решения системы уравнений, составленных по закону Кирхгофа
(3.1)Исключая ненужные переменные токи
; 
(3.2)Если устремить
и 
к бесконечности, то мы придем к выводу, что переходная функция совпадает с переходной функцией для идеального варианта.Следовательно, необходимо выбрать операционный усилитель с как можно большим коэффициентом усиления и входным сопротивлением.
Реальное комплексное сопротивление утечки конденсатора имеет вид
.где
.Для структурной схемы, приведенной на рисунке 1.1, идеальная передаточная функция имеет вид
.Реальная передаточная функция реального дифференцирующего звена
; (3.3) 
; (3.4) 
; (3.5)Подставив (3.4), (3.5) в (3.2) имеем передаточную функцию реального звена
. (3.6)Выбор электронных элементов схемы и конструирование печатной платы
Выбор элементов
В качестве операционного усилителя выбрана микросхема КР1446УД14 обладающая следующими параметрами:
Входное сопротивление (
) – 1000 мОм.Напряжение питания – 15 В 10%
Напряжение смещения – 10 мВ.
Тип корпуса – DIP 201.14-2 (19×6,6 мм).
Рисунок 4.1 – корпус КР1446УД14
Рисунок 4.2 – распределение выводов
Конденсаторы
В качестве конденсатора C1 выбран металлобумажный конденсатор типа C-K-50-80 обладающий большим сопротивлением утечки (
)1 000 000 Ом; В качестве переменных резисторов применены резисторы типа СП3-18a.
В качестве постоянного резистора выбран малогабаритный резистор с мощностью рассеивания 0,25 Вт (P1-28).
Описание принципиальной электрической схемы
Принципиальная электрическая схема разработанного электронного функционального устройства приведена на листе КАПП.220201.108.Э3 курсового проекта.
Операционный усилитель DA1,DA2,DA3 совместно с элементами C1,R1,R2,R3,R4,R5 образует смешанное звено с заданным видом передаточной функции. При этом подстроечные резисторы R1 и R3 позволяют настраивать, соответственно, постоянную времени и коэффициент усиления звена.
Подключение разработанного функционального устройства выполняется через концевой разъём XC1.
Чертёж печатной платы устройства и сборочный чертёж приведены на листах КАПП.220201.108 и КАПП.220201.108.СБ данного курсового проекта.
Расчёт надёжности проектируемого устройства
Расчёт надёжности проектируемого устройства сводится к определению вероятности безотказной, среднего времени безотказной работы и интенсивности отказа. Вероятность безотказной работы устройства за 1000 часов определена при условии, что закон распределения экспоненциальный, а интенсивность отказов элементов, входящих в устройство, соответствует значениям приведённым в таблице 5.1.
Среднее время безотказной работы устройства
-область нормальной работы найденная по АЧХ 
-область нормальной работы найденная по ФЧХ