Разработка электронного функционального устройства, реализующего передаточную функцию

Разработка электронного функционального устройства, реализующего передаточную функцию

Введение

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

Операционный усилитель

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;

Резисторы

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.

Печатная плата

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

На рисунке 5.1 показана плотность вероятности безотказной работы комплекта.

Рисунок 5.1 - График зависимости вероятности безотказной работы от времени

Расчет области нормальной работы устройства

Расчет АЧХ и ФЧХ реальной и идеальной систем с параметрами R1 и R3

Расчет будем вести используя параметры:

R3=10000 Ом

R1=50000 Ом

С= 0,000001 Ф

Rвх= 1000000 Ом

Коу= 30000

Рисунок 6.1 - График амплитудно-частотной характеристики идеального и реального устройства.

Рисунок 6.1 - График фазово-частотной характеристики идеального и реального устройства.

-область нормальной работы найденная по АЧХ

-область нормальной работы найденная по ФЧХ

Область нормальной работы устройства начинается с

Инструкция по эксплуатации

Общие сведения

Разработанное функциональное электронное устройство представляет собой реальное дифференциальное звено.

Прибор предназначен для использования лабораторных и производственных условиях.

Хранение устройства

Длительное хранение устройства должно осуществляться в отапливаемых, хорошо вентилируемых помещениях при температуре от плюс 10 °С до плюс 55 °С, и относительной влажности не более 80%. В воздухе помещений не должно быть пыли, а также газов и паров, вызывающих коррозию.

Условия эксплуатации

Устройство рассчитано на работу при температуре от минус 10 °С до плюс 50 °С и относительной влажности до 80%.

Монтаж устройства

Установка собранного и предварительно отлаженного устройства производится при отключённом напряжении питания. Устройство крепится в требуемом месте на 4-х винтах.

Настройка устройства

Переменным резистором R1 установить требуемый коэффициент усиления устройства, а переменным резистором R3 - постоянную времени дифференцирования.

Заключение

Полученное устройство можно применять в качестве регулятора с настраиваемыми параметрами Т и К.

В данной работе были изучены возможные схемы использования операционных усилителей, а также получение с помощью них стандартных звеньев.