Введення
Метою цього курсового проекту є розробка електронного функціонального пристрою реалізує задану передавальну функцію.
Розробка пристрою включає в себе проектування принципової електричної схеми, розведення друкованої плати, розрахунок області нормальної роботи і розрахунок показників надійності.
Додатково до розробленому пристрою складається інструкція з експлуатації.
Дані на курсове проектування
При курсовому проектуванні слід розробити електронне функціональний пристрій реалізує переставлений на малюнку 1.1 закон передачі.
Малюнок 3.1 - Структурна схема пристрою
Вимоги до розробки:
1. Розроблюване функціональне електронний пристрій має реалізовувати задані передавальні функції з максимально можливою точністю в широкому частотному діапазоні (150 ... 510Гц).
2. Пристрій повинен бути реалізовано на елементах вітчизняного виробництва, загальнопромислового призначення. Вхідні і вихідні сигнали повинні відповідати вимогам ДСП
3. Пристрій повинен бути виконано на друкованій платі з крайовим розніманням. Блок живлення перебувати поза пристрою і не розробляється.
4. Кожному елемент у структурної схеми відповідає 1 операційний підсилювач. Пристрій повинен мати 2 параметри налаштування і 2 органу налаштування. Органи настроювання виконуються на резисторах. Усі функціональні конденсатори прийняти рівними 1 мкФ.
5. Пристрій повинен мати вихідний каскад - обмежувач вихідного напруги. Рівень напруги може налаштовуватися.
6. Розрахувати область нормальної роботи пристрою.
7. Графічна частина повинна містити:
1. Принципову схему пристрою
2. Друкована плата.
3. Складальне креслення.
Розробка принципової схеми
Зазначений у завданні закон може бути реалізований на операційному підсилювачі за схемою представленою на рисунку 2.1.
Малюнок 3.1 - Принципова схема ланки, реалізованого на операційних підсилювачах
Ідеальна передатна функція такої ланки має вигляд
, (2.1)
де
;
;
Таким чином, при фіксованому значенні номіналу конденсатора C1 (1 мкФ) функціональний пристрій має два параметри налаштування: коефіцієнт посилення (R1) і постійна часу (R3).
Статичний і динамічний розрахунок
Формуючий пристрій на операційному підсилювачі показано на малюнку 3.1.
Малюнок 3.1 - Формує пристрій на операційному підсилювачі
Ідеальна передатна функція формуючого пристрою на операційному підсилювачі за умов
;
;
має вигляд
.
Реальна передатна функція формуючого пристрою на операційному підсилювачі
.
Реальна передатна функція знайдена шляхом рішення системи рівнянь, складених за законом Кірхгофа
(3.1)
Виключаючи непотрібні змінні струми
;
(3.2)
Якщо спрямувати і
до нескінченності, то ми прийдемо до висновку, що перехідна функція збігається з перехідною функцією для ідеального варіанту.
Отже, необхідно вибрати операційний підсилювач з якомога більшим коефіцієнтом посилення і вхідним опором.
Реальне комплексний опір витоку конденсатора має вигляд
.
де .
Для структурної схеми, наведеної на малюнку 1.1, ідеальна передавальна функція має вигляд
.
Реальна передатна функція реального диференціюючого ланки
; (3.3)
; (3.4)
; (3.5)
Підставивши (3.4), (3.5) в (3.2) маємо передавальну функцію реального ланки
. (3.6)
Вибір електронних елементів схеми і конструювання друкованої плати
Вибір елементів
Операційний підсилювач
В якості операційного підсилювача є мікросхема КР1446УД14 володіє наступними параметрами:
Вхідний опір ( ) - 1000 мОм.
Напруга живлення - 15 В 10%
Напруга зсуву - 10 мВ.
Тип корпусу - DIP 201.14-2 (19 × 6,6 мм).
Малюнок 4.1 - корпус КР1446УД14
Малюнок 4.2 - розподіл висновків
Конденсатори
Як конденсатора C1 обраний металопаперові конденсатор типу CK-50-80 володіє великим опором витоку ( ) 1 000 000 Ом;
Резистори
У якості змінних резисторів застосовані резистори типу СП3-18a.
В якості постійного резистора обраний малогабаритний резистор з потужністю розсіювання 0,25 Вт (P1-28).
Опис принципової електричної схеми
Принципова електрична схема розробленого електронного функціонального пристрою наведена на аркуші КАПП.220201.108.Е3 курсового проекту.
Операційний підсилювач DA1, DA2, DA3 спільно з елементами C1, R1, R2, R3, R4, R5 утворює змішане ланка із заданим видом передавальної функції. При цьому подстроєчниє резистори R1 і R3 дозволяють налаштовувати, відповідно, постійну часу і коефіцієнт посилення ланки.
Підключення розробленого функціонального пристрою виконується через кінцевий роз'єм XC1.
Друкована плата
Креслення друкованої плати пристрої та складальне креслення наведено на аркушах КАПП.220201.108 і КАПП.220201.108.СБ даного курсового проекту.
Розрахунок надійності проектованого пристрою
Розрахунок надійності проектованого пристрою зводиться до визначення ймовірності безвідмовної, середнього часу безвідмовної роботи і інтенсивності відмови. Імовірність безвідмовної роботи пристрою за 1000 годин визначена за умови, що закон розподілу експонентний, а інтенсивність відмов елементів, що входять в пристрій, відповідає значенням наведеним в таблиці 5.1.
Середній час безвідмовної роботи пристрою
На малюнку 5.1 показана щільність ймовірності безвідмовної роботи комплекту.
Малюнок 5.1 - Графік залежності імовірності безвідмовної роботи від часу
Розрахунок області нормальної роботи пристрою
Розрахунок АЧХ і ФЧХ реальної та ідеальної систем з параметрами R1 і R3
Розрахунок будемо вести використовуючи параметри:
R3 = 10000 Ом
R1 = 50000 Ом
С = 0,000001 Ф
Rвх = 1000000 Ом
Коу = 30000
Малюнок 6.1 - Графік амплітудно-частотної характеристики ідеального і реального пристрою.
Малюнок 6.1 - Графік фазово-частотної характеристики ідеального і реального пристрою.
-Область нормальної роботи знайдена за АЧХ
-Область нормальної роботи знайдена за ФЧХ
Область нормальної роботи пристрою починається з
Інструкція з експлуатації
Загальні відомості
Розроблене функціональне електронний пристрій являє собою реальне диференціальне ланка.
Прилад призначений для використання лабораторних і виробничих умовах.
Зберігання пристрої
Тривале зберігання пристрою повинне здійснюватися в опалювальних, добре вентильованих приміщеннях при температурі від плюс 10 ° С до плюс 55 ° С, і відносній вологості не більше 80%. У повітрі приміщень не повинно бути пилу, а також газів і парів, що викликають корозію.
Умови експлуатації
Пристрій розраховано на роботу при температурі від мінус 10 ° С до плюс 50 ° С і відносній вологості до 80%.
Монтаж пристрою
Установка зібраного і попередньо налагодженого пристрою проводиться при відключеній напрузі живлення. Пристрій кріпиться в необхідному місці на 4-х гвинтах.
Настроювання пристрою
Змінним резистором R1 встановити необхідний коефіцієнт посилення пристрою, а змінним резистором R3 - постійну часу диференціювання.
Висновок
Отримане пристрій можна застосовувати як регулятора з налаштованим параметрами Т і К.
У даній роботі були вивчені можливі схеми використання операційних підсилювачів, а також отримання за допомогою них стандартних ланок.