Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Б.Л. Геллер
Судовая электроника
Методические указания по выполнению курсовой работы
для студентов специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»
Калининград
Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ»
УДК 629.12 (075)
Геллер Б.Л. Судовая электроника. Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики». – Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2014. – 35 с.
Даны методические указания по объёму, структуре и содержанию курсовой работы, порядку её выполнения. Приведены варианты заданий, даны примеры выполнения. Рассмотрены правила оформления курсовой работы.
Методические указания предназначены для студентов вузов, обучающихся по специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики».
Ил. 17, список лит. – 15 наименований, приложений 6.
Методические указания обсуждены и одобрены на заседании кафедры электрооборудования судов и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет» 16 июня 2014 г., протокол № 15.
©ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», 2014 г.
© Геллер Б.Л., 2014 г.
Борис Львович ГЕЛЛЕР
Выпускная квалификационная работа
Редактор _____________. Корректор ___________________
Подписано в печать??.??.201? г. Заказ. Тираж __ экз. Формат 60х84(1/16).
Объем ___ п. л.; ____ уч.- изд. л. Цена договорная
Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ», 236022, г. Калининград, Советский проспект, 1
содержание
| Стр. | ||
| 1. | Общие положения............................................. | |
| 2. | Задание на курсовую работу.................................... | |
| 3. | Методические указания по выполнению курсовой работы........... | |
| 4. | Примеры выполнения заданий................................... | |
| 5. | Указания к оформлению курсовой работы......................... | |
| 6. | Список литературы............................................. | |
| Приложение А. Схемы к заданию 1............................... | ||
| Приложение Б. Параметры элементов к заданию 1.................. | ||
| Приложение В. Таблицы истинности к заданию 2................... | ||
| Приложение Г. Варианты к заданию 3............................. | ||
| Приложение Д. Пример выполнения принципиальной электрической схемы........................................................ |
Общие положения
Курсовая работа является важнейшим элементом самостоятельной работы студента. Основными целями курсовой работы являются:
─ углубление знаний в области электроники;
─ совершенствование техники анализа электронных схем;
─ развитие навыков исследовательской и проектной работы, умения работать с источниками технической информации, применения полученных знаний для решения практических задач.
Задание на курсовую работу
Курсовая работа включает три задания.
Задание 1
Выполнить анализ линейного динамического звена на основе ОУ. Для заданной схемы необходимо выполнить следующее:
1. Вывести передаточную функцию схемы, считая ОУ идеальным.
2. Рассчитать и построить ее АЧХ.
3. На основании пп. 1 и 2 сделать вывод о характере динамического звена.
4. Определить погрешность схемы, вызванную, если известна величина напряжения смещения Uсм ОУ.
5. Определить необходимые сопротивления резисторов, обеспечивающие минимум влияния входных токов ОУ.
Схемы к заданию приведены в приложении А, параметры элементов – в приложении Б. Сопротивления резисторов, не указанные в таблице приложения Б, следует определить при выполнении пункта 5.
Задание 2
Выполнить синтез логической функции, заданной таблицей истинности. Для заданной таблицы необходимо выполнить следующее:
1. Выполнить минимизацию логической функции с помощью карты Карно.
2. Реализовать функцию в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ, а также при помощи мультиплексора.
Таблицы истинности по вариантам приведены в приложении В.
Задание 3
Разработать устройство, выполняющее заданную функцию формирования или преобразования сигнала.
Варианты для задания 3 приведены в приложении Г.
3 Методические указания по выполнению курсовой работы
Указания к выполнению задания 1
Передаточную функцию схемы рекомендуется выводить в следующем порядке:
1. Изобразить схему с указанием операторных сопротивлений реактивных элементов.
2. Ввести необходимые обозначения напряжений в узлах схемы и составить систему уравнений по первому закону Кирхгофа в операторной форме для выбранных узлов. При этом обязательно следует учитывать три свойства идеального ОУ: бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление и бесконечно большой коэффициент усиления. Следствием этих свойств является принцип "мнимой земли" и отсутствие ответвления тока во входную цепь ОУ.
Очень важно определиться с количеством обозначенных напряжений и с количеством уравнений. Здесь действует общее правило: количество уравнений должно быть на единицу меньше количества обозначенных напряжений (переменных в уравнениях). Не следует вводить лишних обозначений напряжений узлов, так как это приведет к усложнению системы и к неизбежной путанице. Например, поскольку в силу принципа "мнимой земли" напряжения на обоих входах ОУ одинаковы, то они должны обозначаться одинаково. Если по схеме видно, что напряжение в какой-либо точке равно нулю, то и обозначения для этой точки вводить не следует.
Большое значение имеет правильный выбор узлов, для которых составляются уравнения. Во всех ветвях, подходящих к выбранному узлу, должны находиться какие-либо сопротивления (в том числе это может быть бесконечно большое сопротивление входа ОУ). Поэтому нельзя составлять уравнения для точек входа схемы и выхода ОУ.
При составлении уравнений рекомендуется не вводить обозначения для токов, а записывать токи в соответствии с законом Ома сразу через падения напряжений и сопротивления.
Обратите внимание, что в ряде схем напряжение на неинвертирующий вход ОУ поступает через делитель напряжения; тогда для этого узла рациональнее вместо уравнения по первому закону Кирхгофа использовать формулу для делителя напряжения.
3. Исключить из системы уравнений промежуточные напряжения узлов и получить уравнение, связывающее входное и выходное напряжения.
4. Получить выражение для передаточной функции 
в виде отношения двух полиномов от р. В окончательном выражении слагаемые должны быть сгруппированы по степеням р в порядке возрастания или убывания степени. При этом следует иметь в виду, что полученное выражение как правило будет более наглядным, если коэффициенты при старшей степени р или свободные члены сделать равными единице.
АЧХ представляет собой зависимость модуля коэффициента передачи схемы от частоты K (ω) = | W (j ω)|. Из этого выражения следует, что в полученной передаточной функции W (р) следует заменить р на j ω и взять модуль от полученного комплексного выражения по правилам обращения с комплексными числами. Вывод выражения для АЧХ следует проделать в общем виде, и только после получения окончательного выражения подставить числовые данные из приложения Б. При построении АЧХ ось частот следует представить в логарифмическом масштабе и проградуировать в Гц. Диапазон частот должен быть выбран с таким расчетом, чтобы отобразить все существенные особенности характеристик.
При определении характера динамического звена в первую очередь важен вид передаточной функции. Все звенья, приведенные в задании – второго порядка. Наиболее часто используются следующие разновидности звеньев: апериодическое звено второго порядка, фильтр нижних частот, полосовой фильтр, фильтр верхних частот, заграждающий фильтр, интегрирующее звено с замедлением, ПИД-звено. Возможно, что заданный вариант не принадлежит к типовым звеньям, что и следует указать в работе (так будет, например, если в знаменателе полином второго порядка, а в числителе полином вида ap + b).
Для определения погрешности схемы, вызванной напряжение смещения, необходимо найти напряжение на выходе схемы при нулевом входном сигнале. Входную точку схемы следует заземлить. За счет огромного коэффициента усиления ОУ на его выходе установится именно такое напряжение, которое обеспечит напряжение между входами ОУ, равное Uсм. Поэтому постановка вопроса должна быть следующей: какое напряжение должно появиться на выходе ОУ, чтобы разность напряжений между входами ОУ установилась равной Uсм? При выполнении этого пункта следует иметь в виду, что если имеется цепь резистивной отрицательной обратной связи, то существует установившийся режим, при рассмотрении которого емкости следует исключить. В противном случае звено приобретает свойства интегратора, и следует рассматривать переходный процесс.
Для минимизации влияния входных токов ОУ необходимо определить сопротивления резисторов, не заданных в приложении Б, таким образом, чтобы эквивалентные сопротивления постоянному току, подсоединенные к входам ОУ, были одинаковы.
Указания к выполнению задания 2
Задача синтеза заключается в построении комбинационной схемы, реализующей заданную логическую функцию.
Целью минимизации является получение алгебраического выражения, содержащего минимальное количество символов переменных, исходя из того, что при этом и реализующая схема будет наиболее простой.
Минимизация производится при помощи карт Карно (называемых также диаграммами Вейча). Карта Карно представляет собой прямоугольную таблицу, каждой клетке которой ставится в соответствие определенная конъюнкция, причем это делается таким образом, чтобы конъюнкции в соседних клетках отличались не более чем на один сомножитель. При заполнении таблицы в соответствующую клетку ставится 1, если минимизируемая функция при данном наборе аргументов равна единице. В остальные клетки вписываются нули (хотя для упрощения их можно оставить пустыми).
В заполненной таблице покрывают все единицы прямоугольными контурами. Минимизированная функция записывается в виде дизъюнкции конъюнкций, соответствующих контурам.
При проведении контуров придерживаются следующих правил:
─ контур должен быть прямоугольным;
─ внутри контура должны быть только клетки, заполненные единицами;
─ число клеток, покрытых контуром, может быть равно 1, 2, 4, 8; при этом условии каждому контуру соответствует определенная конъюнкция;
─ количество контуров должно быть как можно меньшим, а сами контуры – как можно больше;
─ крайний левый и крайний правый столбцы считаются соседними, как если бы карта была свернута в виде цилиндра, точно так же верхняя и нижняя строки считаются соседними;
─ каждая единица может быть покрыта несколько раз.
После покрытия всех единиц записывается минимизированная функция. При записи конъюнкции, соответствующей некоторому контуру, в нее включают только те аргументы, которые не изменяют своего значения внутри контура.
В ряде случаев может существовать несколько вариантов покрытия единиц прямоугольниками. Это означает, что задача минимизации не обязательно имеет единственное решение: различные по записи функции могут иметь одинаковые таблицы истинности и быть равноправными с точки зрения минимальности ДНФ.
Карта Карно для функции четырех переменных представлена в табл. 1.
Надо отметить, что существует множество способов разметки строк и столбцов карты; главное требование – чтобы соседние строки, равно как и соседние столбцы, отличались друг от друга значением только одной переменной. Поэтому табл. 1 представляет собой один из возможных вариантов, рекомендуемый для использования при выполнении курсовой работы. Для облегчения заполнения удобно пронумеровать клетки карты так же, как строки таблицы истинности (в левом нижнем углу каждой клетки). В табл. 1 принято для нумерации, что двоичное число имеет вид 
(x 0 – младший разряд).
В результате минимизации получается логическая функция в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ), т.е. в виде дизъюнкции элементарных конъюнкций. В данном случае это минимальная ДНФ.
Дальнейшее преобразование определяется тем, какие логические элементы выбраны для реализации. Для представления функции в заданном базисе (И-НЕ или ИЛИ-НЕ) необходимо преобразовать полученную минимальную ДНФ с помощью правила де Моргана. Далее составляется схема непосредственно по логическому выражению. При этом в дополнение к элементам И-НЕ и ИЛИ-НЕ разрешается использовать элементы НЕ.
При реализации функции алгебры логики от n переменных с помощью мультиплексора достаточно задать функцию в виде таблицы истинности, и не возникает необходимости в минимизации. На рисунке а) приведена в качестве примера схема реализации логической функции, представленной в табл. 2. Набор значений переменных образует двоичное число N, а значение y определяет, какой уровень подать на информационный вход с соответствующим номером N.
Возможна также реализация функции с помощью более простого мультиплексора с числом адресных входов, на единицу меньшим числа переменных (рис. б). В этом случае вопрос о подключении информационных входов решается следующим образом. Анализируются все наборы значений переменных, поданных на адресные входы (в нашем примере x 1 и x 2). Каждый набор встречается в таблице истинности дважды. Соответствующие этому два значения выходной переменной могут принимать значения либо 0, либо 1, либо x 3, либо 
. Тем самым определяется сигнал, подаваемый на соответствующийнабору x 2 x 1 информационный вход.
Студент может выбрать любой из вариантов мультиплексора. Выбор и правильное построение схемы по варианту б) свидетельствует о более глубоком понимании работы комбинационных схем.
Указания к выполнению задания 3
Это задание является наиболее сложным. В нем студенту предоставляется свобода в выборе принципов и средств построения устройства. Главным требованием является выполнение схемой заданных функций при использовании возможно более простых технических решений и стандартных изделий электронной техники. Студент должен определить принцип работы устройства, выбрать элементную базу с учетом современного уровня развития полупроводниковой схемотехники, реализовать все требуемые функции в виде функциональных узлов, произвести выбор и расчет элементов, выполнить принципиальную электрическую схему устройства в соответствии с ЕСКД и составить описание ее работы, выполнить моделирование устройства в программе Electronics Workbench и убедиться в его правильной работе. Для освоения программы могут быть полезны издания [4, 8].
Рекомендуется в общем случае следующий порядок разработки:
1. На основании задания выбирается принцип работы устройства. Главное на этом этапе – ясно представить себе процесс преобразования сигналов, пока не задаваясь средствами преобразования. При необходимости реализуемая функция детализируется, разбивается на ряд более простых функций, при этом может быть полезно составить вначале функциональную схему устройства. Выполняется поиск примеров выполнения и расчета подобных устройств по учебникам, технической литературе, интернет-ресурсам.
2. Производится выбор элементной базы с учетом современного уровня развития полупроводниковой схемотехники.
3. Производится реализация каждой простой функции в виде схемного узла.
4. Узлы и элементарные цепи объединяются в общую схему, при этом главное внимание уделяется согласованию уровней напряжений и токов, входных и выходных сопротивлений.
5. Производится выбор элементов и электрический расчет параметров отдельных элементов и узлов (выбор рабочих токов и напряжений, согласование сигналов по мощности и уровню, определение параметров времязадающих элементов, выбор типов полупроводниковых приборов и микросхем, определение питающих напряжений, расчет электропотребления схемы и т.д.).
6. Выполняется принципиальная электрическая схема по ЕСКД и составляется ее описание. В качестве литературы по ЕСКД рекомендуются издания [9, 10].
Объем сведений, приведенных в принципиальной схеме, должен быть достаточен для изготовления изделия. Все элементы принципиальной схемы выбираются по каталогам и справочникам, при этом должны использоваться самые последние издания. На принципиальной электрической схеме должны быть однозначно определены все элементы и устройства, входящие в изделие. Данные об элементах должны быть записаны в перечень элементов, помещаемый на схеме либо оформленный в виде отдельного документа. Рекомендуется приводить на схеме характеристики входных и выходных цепей изделия (напряжение, ток, частоту и т.п.). Соединительные элементы для внешних цепей допускается показывать условно в виде клемм или таблицы, не присваивая позиционных обозначений и не внося в перечень элементов.
Номиналы резисторов и конденсаторов выбираются из рядов, выпускаемых промышленностью. Так, для постоянных резисторов общего назначения обычно применяется ряд Е24, для переменных резисторов установлен только ряд Е6. Прецизионные резисторы рекомендуется выбирать из ряда Е192. Ряды номинальных значений емкостей конденсаторов зависят от типа конденсатора и должны уточняться по справочникам. Для резисторов обязательно указание типа, номинальной мощности рассеяния и допуска, например: "Резистор С2-23 – 0,25 Вт – 4,7 кОм ± 10 %". Для конденсатора указывается тип и (в зависимости от типа) номинальное напряжение, допуск и/или температурный коэффициент емкости, например: "Конденсатор К10-17а – М1500 – 27 нФ ± 10 %" или "Конденсатор К73-17 – 63 В – 2,2 мкФ".
Выводы интегральных схем должны быть обозначены. Цепи питания интегральных схем должны быть показаны в виде линий электрической связи или указаны в тексте на свободном поле схемы.
4. Примеры выполнения заданий
Пример выполнения задания 1
Исходные данные:
R 1 = 10 кОм; R 2 = 15 кОм;
R 3 = 12 кОм; С 1 = 82 нФ;
С 2 = 22 нФ.
1. Находим передаточную функцию схемы. Для этого введем обозначения напряжений узлов.
Обозначаем напряжения узлов. Учитываем при этом, что в силу отсутствия входных токов ОУ потенциал неинвертирующего входа ОУ равен нулю, и в соответствии с принципом мнимой земли потенциал инвертирующего входа также равен нулю.
Составим уравнения по первому закону Кирхгофа. Выбираем узлы: с напряжением U 2 и инвертирующий вход ОУ.
Группируем слагаемые в первом уравнении:
Подставляем U 2, выраженное из второго уравнения системы:
Находим отсюда передаточную функцию и представляем ее в виде отношения двух полиномов:
2. Находим выражение для АЧХ и строим график.
 |
Заменяем в передаточной функции p на j ω.
 |
Запишем выражение для АЧХ как модуль комплексного коэффициента передачи
Подставляем числовые данные.
Для построения графика K (f) заменяем ω на 2π f:
Построим график АЧХ (приведен график, построенный в программе Mathcad).
3. Определяем вид динамического звена. Из передаточной функции и из графика АЧХ следует, что это фильтр нижних частот.
 |
4. Определяем погрешность, вызванную напряжением смещения. В схеме имеется резистивная отрицательная обратная связь через резисторы R2 и R3, поэтому конденсаторы исключаем, и схема принимает вид:
В этой схеме на инвертирующем входе ОУ напряжение U см. Тогда U 2 = U см, так как по резистору R3 ток не протекает. Из рассмотрения делителя напряжения R1 и R2 получаем:
5. Определим значение резистора R, обеспечивающее компенсацию погрешности от входных токов ОУ. Для решения используем схему, представленную в п. 4. Из нее видно, что эквивалентное сопротивление, присоединенное к неинвертирующему входу ОУ, равно R. Находим эквивалентное сопротивление, присоединенное к инвертирующему входу ОУ. Учитываем, что выход ОУ при определении эквивалентных сопротивлений равносилен заземлению, так как выходное сопротивление идеального ОУ равно нуля. Поэтому резисторы R1 и R2 соединены параллельно.
Тогда
Пример выполнения задания 2
Исходные данные:
| Входы | Выход | |||
| x 3 | x 2 | x 1 | x 0 | у |
1. Заполняем карту Карно.
2. Выбираем наиболее экономичный вариант покрытия единиц. Используем следующие прямоугольники (для удобства различения показанные овальными):
Клетки 3 и 11 – конъюнкция 
Клетки 10 и 11 – конъюнкция 
Клетки 13 и 15 – конъюнкция 
Клетки 0 и 1 – конъюнкция 
Запишем МДНФ: 
Преобразуем МДНФ для реализации в базисе И-НЕ.
Преобразуем МДНФ для реализации в базисе ИЛИ-НЕ.
Реализуем логическую функцию тремя способами.
 |
Пример выполнения задания 3
Исходные данные:
Разработать формирователь пилообразных импульсов с параметрами: длительность участка линейного роста 5 мс, скорость изменения напряжения 2 В/мс; длительность паузы регулируемая в диапазоне 1–10 мс.
Определим принцип работы устройства.
Линейно изменяющееся напряжение наиболее просто можно получить путем заряда конденсатора постоянным током [2, с. 178]. Формирование интервалов линейного изменения и паузы удобно осуществлять при помощи мультивибратора c раздельно регулируемыми длительностями импульсов и пауз. На интервале паузы конденсатор должен быть закорочен электронным ключом.
Для того, чтобы возможная нагрузка не влияла на линейность заряда конденсатора, сформированное напряжение должно подаваться на выход через буферный повторитель с большим входным сопротивлением.
 |
Таким образом, устройство должно иметь функциональную схему, показанную на рис. 1.
Выполним разработку генератора импульсов.
Известно большое количество схем генераторов импульсов. Они могут выполняться на транзисторах [2, с. 151], операционных усилителях (ОУ) [2, с. 154] или логических элементах [2, с. 155]. Во всех вариантах имеется возможность раздельно регулировать длительности импульсов и пауз.
Для выбора элементной базы определим диапазон изменения выходного сигнала.
Согласно заданию, длительность импульса t и = 5 мс; скорость нарастания напряжения dU/dt = 2 В/мс. Тогда амплитуда импульса
U m = t и∙ dU/dt. (1)
U m = 5∙2 = 10 В.
Для получения такой амплитуды напряжение питания выходного узла должно быть порядка 12–15 В. Поэтому целесообразно все узлы питать таким напряжением. Тогда генератор должен строиться на КМОП-логических элементах или ОУ. Выбираем схему на ОУ, так как она обладает лучшей стабильностью частоты при изменении температуры и напряжения питания. Таким образом, схема генератора имеет вид, показанный на рис. 2.
Определим параметры элементов генератора.
Примем, что импульс формируется, когда на выходе ОУ низкий уровень (это удобно для запирания ключа). В течение импульса конденсатор перезаряжается через резистор R1. Согласно [2], длительность импульса равна
(2)
Соответственно длительность паузы определяется процессом перезаряда конденсатора через резистор R2, который должен быть регулируемым.
(3)
Задаемся сопротивлениями резисторов цепи положительной обратной связи: R 3 = R 4 = 22 кОм. Тогда сопротивления резисторов определяются по формулам:
(4)
Задаемся емкостью конденсатора С = 0,1 мкФ. Так как это времязадающий конденсатор, то он должен обладать стабильной емкостью и малым током утечки. По [7] выбираем пленочный конденсатор К73-16-63 В-0,1 мкФ.
По (4) определяем сопротивления времязадающих резисторов:
R 1 = 5∙10-3 /(1,1∙10-7) = 45,5 кОм.
R 2 min = 1∙10-3 / (1,1∙10-7) = 9,1 кОм.
R 2 max = 10∙10-3 / (1,1∙10-7) = 90,9 кОм.
Для обеспечения возможности подстройки длительности импульса сопротивление R1 выполняем в виде последовательного соединения постоянного резистора сопротивлением 39 кОм и переменного резистора сопротивлением 10 кОм. Переменный резистор используется для настройки фиксированного параметра (длительность участка линейного роста), поэтому должен быть подстроечного типа. Выбираем по [8] резистор однооборотный для печатного монтажа со стопорением вала СП3-16в – 10 кОм.
Для регулирования длительности паузы сопротивление R2 нужно составить из двух последовательно соединенных резисторов: постоянного с сопротивлением 9,1 кОм и переменного с сопротивлением 90,9 –9,1 = 81,8 кОм» 82 кОм. Однако, согласно [8], переменные резисторы такого номинала промышленностью не выпускаются. Поэтому выполняем переменное сопротивление в виде параллельного соединения переменного резистора сопротивлением 100 кОм и постоянного сопротивлением 1 Мом. Таким образом, времязадающее сопротивление для регулирования паузы принимает вид, показанный на рис. 3. Переменный резистор используется для оперативного изменения параметра в процессе эксплуатации, поэтому он должен быть регулировочного типа. Выбираем по [8] резистор
СП3-9а – 100 кОм.
К диодам, разделяющим цепи перезаряда конденсатора, не предъявляется особых требований, кроме малого значения обратного тока. Выбираем по [9] малогабаритные диоды КД521В с параметрами:
─ постоянный обратный ток при напряжении 50 В не более 1 мкА;
─ допустимое постоянное обратное напряжение 50 В;
─ допустимый постоянный прямой ток 50 мА.
Выполним разработку источника тока.
Определим требуемый ток из известного из ТОЭ соотношения
(5)
Для расчета I C необходимо задаться емкостью конденсатора, формирующего линейно нарастающее напряжение (рис. 1). Для унификации выбираем такой же конденсатор, как в генераторе, т.е. К73-16-63 В-0,1 мкФ. Тогда требуемый ток по (5)
I C = 10-7∙2∙103 = 2∙10-4 A.
Источник тока такой величины может быть выполнен на базе полевого транзистора с каналом p -типа с резистором в цепи истока [6, с. 63], либо по схеме токового зеркала на биполярных p-n-p- транзисторах [6, с. 41]. Для схемы на полевом транзисторе (рис. 4) не удается подобрать прибор с нужным сочетанием параметров из-за малой величины I C. Поэтому выбираем схему токового зеркала (рис. 5).
Транзисторы VT1 и VT2 должны быть согласованной парой. По [10] выбираем транзисторную сборку КТС3103А1 с параметрами:
─ статический коэффициент передачи тока 40–200;
─ обратный ток коллектора при U КБ = 15 В не более 0,2 мкА;
─ предельное постоянное напряжение коллектор – эмиттер 15 В;
─
 |
предельный постоянный ток коллектора 20 мА.
Токозадающий резистор рассчитываем исходя из того, что напряжение питания схемы определяется операционным усилителем, т.е. ± 15 В. Поэтому напряжение на токозадающем резисторе равно 15 В. Ток 2∙10-4 A обеспечивается резистором с сопротивлением 15/(2∙10-4) = 75 кОм.
Выберем электронный ключ для разряда конденсатора. Наилучшим качеством обладают ключи на полевых транзисторах. В качестве электронного ключа выбираем по [10] транзистор КП329А с управляющим p-n -переходом и каналом n -типа. Стокзатворные характеристики транзистора приведены на рис. 6. Как видно, транзистор характеризуется достаточно большим начальным током стока (примерно 11 мА), что обеспечивает быстрый разряд конденсатора. Особенностью транзистора является большое допустимое напряжение между затвором и стоком (50 В), что упрощает сопряжение с генератором. Для защиты перехода от прямого напряжения в цепи затвора должен быть установлен диод.
В качестве буферного повторителя выбираем схему на базе ОУ [2, с. 18–19].
В целом устройство содержит два ОУ. Для уменьшения габаритов, удешевления устройства и упрощения монтажа выбираем по [10] сдвоенный ОУ типа КР140УД20А с характеристиками:
─ напряжение питания ± 15 В;
─ максимальное выходное напряжение не менее ± 11,5 В;
─ напряжение смещения нуля не более 3 мВ;
─ входной ток не более 80 нА;
─ коэффициент усиления напряжения не менее 50000;
─ ток потребления не более 2,8 мА;
─ сопротивление нагрузки не менее 2 кОм.
Определим электропотребление устройства. Микросхема потребляет одинаковый ток от обоих источников питания: 2,8 мА. Кроме того, токовое зеркало потребляет от положительного источника питания удвоенный ток I C,определенный по (5), т.е. 0,4 мА. Таким образом, потребление от положительного источника питания составит 3,2 мА, от отрицательного источника – 2,8 мА.
Указания к оформлению курсовой работы
Курсовая работа представляется в виде расчетно-пояснительной записки, выполненной в соответствии с требованиями ЕСКД.
Расчетно-пояснительная записка представляет собой текстовый документ, выполненный на листах формата А4 на принтере и сброшюрованный. Она должна содержать следующие структурные элементы в приведенной последовательности:
─ титульный лист;
─ задание на курсовую работу;
─ содержание;
─ основная (расчетная) часть;
─ список использованных источников;
─ приложения.
Титульный лист пояснительной записки содержит сведения о ВУЗе и кафедре, на которой выполняется курсовая работа, название дисциплины, по которой выполняется работа, а также сведения о студенте, разработавшем данный документ, его руководителе и годе выполнения. На титульном листе в соответствующих графах студент ставит свою подпись и дату сдачи курсовой работы на проверку.
Задание на курсовую работу приводится полностью, включая текстовую часть, схему и данные из таблиц. Первый лист текста задания является первым листом пояснительной записки и выполняется на листе с основной надписью для текстовых конструкторских документов (первый лист) по ГОСТ 2.104-2006.
В содержании приводятся все этапы выполнения курсовой работы с конкретным указанием номеров страниц: задание 1, задание 2, задание 3, список использованных источников, приложения. Раздел "Задание 3" должен состоять из подразделов: выбор и обоснование структурной схемы или принципа построения устройства, обоснование принципиальной схемы, расчет принципиальной схемы, расчёт электропотребления и т.п. Слово «Содержание» пишут с прописной буквы в середине строки. Слово «страница» не пишут.
В основной части раскрывается выполнение основных этапов задания.
При выполнении заданий 1 и 2 каждое действие по получению решения должно поясняться текстом, например: "Составим систему уравнений…", "Определим погрешность…", "Подставим числовые данные…", "Заполним карту Карно…" и т.д. Из текста должно быть ясно, какие преобразования уравнений или данных выполнялись, и какой получен результат.
Схемы реализации, выполненные по заданию 2, не выполняются как конструкторские документы, а приводятся в тексте пояснительной записки как рисунки. Допускается вычертить эти рисунки после распечатки текста.
При изложении раздела "Задание 3" необходимо обосновать выбор структурной схемы или принципа построения устройства, описать работу принципиальной схемы, выполнить расчет элементов принципиальной схемы, обосновать выбор полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, выполнить расчёт электропотребления.
Если для пояснения принципа работы схемы используются структурные схемы или временные диаграммы, они должны приводиться в виде рисунков в тексте пояснительной записки.
При выполнении задания 3 студенту придется пользоваться источниками научно-технической информации: учебниками, технической литературой, справочниками, каталогами и т.п. Любой материал, почерпнутый из источников, должен сопровождаться ссылкой. Ссылки приводятся в списке использованных источников и оформляются в соответствии с [13]. В тексте должны содержаться отсылки к списку использованных источников, которые делаются непосредственно при упоминании информации, почерпнутой из источника. Нумерация в списке использованных источников ведется в порядке появления отсылок в пояснительной записке независимо от деления на разделы. В список не включаются издания, на которые не сделаны отсылки. Примеры оформления отсылок содержатся в разделе 4 настоящих методических указаний.
В приложениях помещаются:
- принципиальная электрическая схема устройства, разработанного по заданию 3. Формат схемы выбирается самостоятельно в зависимости от сложности схемы;
- перечень элементов, если он не помещен на схеме, а выполнен в виде отдельного документа;
- модель устройства в программе Electronics Workbench и результаты моделирования.
Список литературы
1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2008.
2. Геллер Б.Л. Судовая электроника: Учебное пособие. Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011.
3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. М.: Горячая линия – Телеком, 2007.
4. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: учебник. 4-е изд. М.: Гелиос АРВ, 2011.
5. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.
7. Конденсаторы: Справочник / Под ред. И.И. Четверткова, М.Н. Дьяконова. М.: Радио и связь, 1993.
8. Резисторы: Справочник / Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991.
9. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н.. Горюнова. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1985.
10. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник. Под ред. А.В.Голомедова. М.: Радио и связь, 1989.
11. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1989.
12. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2-х т. /Под общ. ред. Д.И. Панфилова. Т. 2: Электроника. М.: ДОДЭКА, 2000.
13. ГОСТ Р 7.0.5-2008. Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления.
14. Усатенко С.Г., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1989.
15. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990.
Приложение А
Схемы к заданию 1
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
|
Приложение Б
Параметры элементов к заданию 1
| Вар. | R1 | R2 | R3 | C1 | C2 | C3 |
| 20 кОм | 91 кОм кОм | – | 0,25 мкФ | 0,33 мкФ | – | |
| 11 кОм | 4,7 кОм | 27 кОм | 0,015 мкФ | 68 нФ | – | |
| 82 кОм | – | – | 0,043 мкФ | 0,075 мкФ | – | |
| 20 кОм | 68 кОм | 22 кОм | 0,43 мкФ | 0,68 мкФ | – | |
| 2,7 кОм | 13 кОм | 6,2 кОм | 0,82 нФ | 0,56 нФ | – | |
| 110 кОм | – | – | 0,12 мкФ | 0,24 мкФ | – | |
| 30 кОм | 12 кОм | – | 2 мкФ | 5 мкФ | – | |
| 3,9 кОм | – | – | 10 мкФ | 15 мкФ | – | |
| 5,6 кОм | 91 кОм | – | 0,022 мкФ | 56 нФ | – | |
| 47 кОм | 43 кОм | – | 0,33 мкФ | 0,22 мкФ | – | |
| 56 кОм | 39 кОм | – | 22 мкФ | 47 мкФ | – | |
| 91 кОм | – | – | 1,8 нФ | 820 пФ | – | |
| 13 кОм | – | – | 0,33 мкФ | 0,75 мкФ | – | |
| 22 кОм | – | – | 4,7 нФ | – | – | |
| 36 кОм | – | – | 0,015 мкФ | – | – | |
| 56 кОм | – | – | 9100 пФ | 8200 пФ | – | |
| 160 кОм | – | 120 кОм | 1800 пФ | 1500 пФ | – | |
| 16 кОм | 24 кОм | – | 0,012 нФ | 2700 пФ | – | |
| 30 кОм | – | – | 36 нФ | 68 нФ | 15 нФ | |
| 27 кОм | – | – | 1 мкФ | – | – | |
| 47 кОм | 18 кОм | – | 10 мкФ | 6,2 мкФ | – | |
| 8,2 кОм | – | – | 0,15 мкФ | 0,18 мкФ | – | |
| 43 кОм | 33 кОм | – | 1,5 нФ | 2,2 нФ | – | |
| 56 кОм | – | – | 22 нФ | – | – | |
| 9,1 кОм | – | – | 0,47 мкФ | – | – |
Приложение В
Таблицы истинности к заданию 2
| Входы | Выход у по вариантам | |||||||||||||||
| x 3 | x 2 | x 1 | x 0 | |||||||||||||
| Входы | Выход у по вариантам | ||||||||||||||
| x 3 | x 2 | x 1 | x 0 | ||||||||||||
Приложение Г
Варианты к заданию 3
| Вариант | Задание |
| RC-генератор синусоидального сигнала на операционном усилителе с амплитудой 6 В и частотой 8 Гц. | |
| Режекторный фильтр с параметрами: частота режекции 50 Гц; неравномерность в полосах пропускания не более 6 дБ. | |
| Одновибратор, запускающийся импульсом положительной полярности и генерирующий импульс длительностью 6 мс и амплитудой 25 В на сопротивление нагрузки 4 Ом. | |
| Преобразователь напряжения в ток. Диапазон 0…10 В входного сигнала соответствует диапазону 4…20 мА выходного сигнала. | |
| Преобразователь температуры в напряжение: диапазон 0…100 ºС соответствует 0…10 В. | |
| ФНЧ с частотой среза 1 |
