Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина

Кафедра электроники и микропроцессорных систем

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

Электронные цепи и микросхемотехника

на тему:

Электронные цепи систем сбора и обработки информации

Выполнил:

студент гр.3-35 Башарин А.С.

Проверил: ктн.проф. Силуянов Б.П.

Иваново 2009



СОДЕРЖАНИЕ

Задание

1.1 Линеаризатор гладкой аппроксимации

1.2 Линеаризатор кусочно-линейной аппроксимации

2. Устройство выделения постоянной составляющей

3. Сумматор

4. Аналого-цифровой преобразователь

5. Схема управления индикаторами

6. Селекторы сигналов

6.1 Селектор узкого сигнала

6.2 Селектор широкого сигнала

6.3 Устройство восстановления биимпульсного сигнала

6.4 Коммутатор

6.5 Детектор

6.6 Устройство выделения постоянной составляющей

6.7 Коммутатор

7 Активный фильтр

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5



ЗАДАНИЕ

Разработать систему сбора и обработки информации, структурная схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы сбора и обработки информации

СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

1. Разработка двух вариантов линеаризатора сигнала первого датчика:

а - используя гладкую аппроксимацию.

б - используя кусочно-линейную аппроксимацию.

2. Определение величины постоянной составляющей сигнала второго датчика и разработка устройства выделения постоянной составляющей из сигнала второго датчика. Максимальное значение напряжения на выходе устройства U=0.9 B

3. Разработка суммирующего устройства, которое обеспечивает суммирование .

4. Разработка аналого-цифрового преобразователя, работающего на цифровой индикатор и десятичного корректора, обеспечивающего преобразование двоичного кода в 3-разрядный двоично-десятичный код.

5. Разработка схемы управления индикаторами.

6. Разработка селекторов сигналов, обеспечивающих выделение U₀₁, U₀₂ и U₀₃ из сигнала U_i2 (рис. 6).

7. Расчет полосового фильтра, выделяющего n-ю гармонику из сигнала U₀₃.

Характеристика первого датчика приведена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика датчика

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Ui1	0	0,61	0,80	0,87	0,91	0,94	0,96	0,97	0,98	0,99	1,00



1. РАЗРАБОТКА ЛИНЕАРИЗАТОРА СИГНАЛА 1-ГО ДАТЧИКА.

1.1 Гладкая аппроксимация

Аппроксимируется характеристика линеаризатора полиномом 4-ой степени при помощи вычислительного комплекса MatLab:

График этой функции представлен на рис.2.

Рис.2.График полинома 4-й степени

На основании полученных данных записывается уравнение:

Моделирование линеаризатора в MatLab представлено на рис.3

Рис.3 Структурная схема линеаризатора, смоделированная в MatLAB

Рис.4. Сигнал на входе линеаризатора

Рис.5.Сигнал на выходе линеаризатора

Моделирование линеаризатора в Multisim представлено на рис.6

Рис.6. Электрическая принципиальная схема линеаризатора

Резисторы R1, R2, R3, R4 рассчитываются по формулам:



Для воспроизведения полинома 4^ой степени (рис.6) используется перемножитель К525ПС3 со следующими характеристиками:

На рис.7 приведена схема включения перемножителя К525ПС3.

Рис. 7. Схема умножителя

1.2 Кусочно-линейная аппроксимация

Метод кусочно-линейной аппроксимации показан на рис. 8. Определяются координаты точек излома U_x1, U_x2. Прямые линии продолжаются до ординаты, соответствующей максимальному значению U_xm.

Рис.8. Кусочно-линейная аппроксимация характеристики линеаризатора

По графику определяются:

Вычисляются наклоны характеристик:

Электрическая принципиальная схема кусочно-линейного преобразователя приведена на рис.9.

Задаются следующие значения резисторов: . Исходя из этих условий, рассчитываются резисторы Rc1, Rc2, R1, R2, R3:

В качестве источников U1,U2 выбирается источник питания операционных усилителей(U1=U2=12B).

Рис.9. Электрическая принципиальная схема кусочно-линейного преобразователя

2. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ВЫДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИГНАЛА 2-ГО ДАТЧИКА.

линеаризатор датчик аппроксимация преобразователь

На рис.10 представлена диаграмма напряжений системы сбора и обработки информации.

Рис.10. Диаграмма напряжений системы сбора и обработки информации

УВПС выделяет из информационного сигнала с датчика 2 постоянную составляющую.

УВПС собран на базе интегратора (рис. 11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.11. Функциональная схема устройства выделения постоянной составляющей

Параметры сигнала второго датчика:

U₁=3 В

U₂=0.5 В

U₃⁺= U₃- = 0.1 В

n=14

Частота f=100 Гц

Максимальное значение напряжения на выходе датчика U_р=0.9 В.

Коэффициент пульсаций постоянной составляющей q₂=0.01.

Сигнал с датчика 2 имеет вид, представленный на рис.12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.12. Сигнал с датчика 2

Для определения номиналов элементов устройства находится постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники сигнала второго датчика.

Для расчета используется программа в вычислительном комплексе MatLab:

Определение 1й гармоники

u1=3;u2=0.5;u3=0.1;n=14;f=100;

d=360/n;

gm=d:d:360;

for m=1:n

am(m)=u3;

u3=-u3;

end

am(1)=u2;am(2)=u1;am(3)=u2;

rm=gm.*pi/180;

cm=cos(rm);

sm=sin(rm);

acm=am.*cm;

asm=am.*sm;

cms=sum(acm.');

sms=sum(asm.');

b1=2*cms/n;

a1=2*sms/n;

ab2=b1^2+a1^2;

um1=sqrt(ab2) амплитуда 1й гармоники

ss=sum(am.');

sss=ss/n среднее значение.

Kp=um1/sss коэффициент пульсаций

f1=2*f/n частота 1й гармоники

Kc=Kp/0.01 коэффициент сглаживания

Kcdb=20*log10(Kc) коэффициент сглаживания в Дб

K=0.9/sss коэффициент усиления

Kdb=20*log10(K) коэффициент усиления в Дб

Kdb1=Kdb-Kcdb построение графика к п.2 курсового проекта

x=logspace(-2,2); диапазон частот 0.1---1000 Гц

a=abs(x)-abs(x);

aa=a+40; верхняя граница графика

bb=a-40; нижняя граница графика

semilogx(x,aa,x,bb,x,Kdb,'.r',x,Kdb1,'.r')

grid

f11=f1/1e3;

k11=60+Kdb1;

line([f11 f1],[k11 Kdb1],'color','red') линия наклона -20 Дб/dec

Расчетные данные:

Амплитуда первой гармоники Um1 =0.5458 В

Среднее значение за период Uср = 0.2786 В

Коэффициент пульсаций Kp = 1.9594

Частота 1й гармоники f1 =14.2857 Гц

Коэффициент сглаживания Kc =195.9372

Коэффициент сглаживания в Дб Kcdb =45.8423 Дб

Коэффициент усиления K =3.2308

Коэффициент усиления в Дб Kdb = 10.1861 Дб

Коэффициент усиления устройства на частоте первой гармоники Kdb1 = -35.6562 Дб

ЛАЧХ УВПС приведена на рис. 13.

Рис.13. ЛАЧХ УВПС

Из ЛАЧХ определяется значение частоты сопряжения fсп:

fсп=0.075 Гц.

Расчет номиналов элементов устройства выделения постоянной составляющей:

Принимается R0=100k, тогда

.

Рис.14. Принципиальная схема УВПС для снятия ЛАЧХ, построенная в Multisim

На рис.15 построен график ЛАЧХ УВПС для проверки коэффициента усиления К:

Рис.15.

К=10.186 Дб



На рис.16 построен график ЛАЧХ УВПС для проверки коэффициента усиления на частоте первой гармоники Kdb1:

Рис.16.

f1=14.6 Гц

Kdb1 = -35.6 Дб

Рис.17. Принципиальная схема УВПС для снятия осциллограммы

.

Рис.18.Осциллограмма УВПС

По осциллограмме определяются:

Абсолютная пульсация выходного напряжения: 21.352 мВ;

Относительная пульсация выходного напряжения: 21.352/900=0.02372.



3. РАЗРАБОТКА СУММАТОРА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО СУММИРОВАНИЕ

Электрическая принципиальная схема сумматора приведена на рис.23.

Задаются значения резисторов:

Рис.23. Электрическая принципиальная схема сумматора

Резистор R3 необходим для компенсации смещения нуля и рассчитывается по формуле:

Цепь, состоящая из резисторов R4, R5, R6, R7 предназначена для установки напряжения смещения. Т.к. Uсм может иметь любую полярность, то величину R4, R5, R6 и R7 необходимо подобрать таким образом , чтобы с помощью резистора R7 можно было устанавливать как +Uсм, так и -Uсм.

Напряжение смещения определяется номером варианта Uсм=10+N мВ.

Для данной схемы Uсм=± 11 мВ.

Задается резистор R7: R7=0…2 КОм

Источники питания V1 и V2 выбираются равными напряжению питания операционного усилителя(12 В).

Подбором определяется значения резисторов:

R4=33 Ом, R5=10.2 КОм, R6=9.53 КОм.



4. РАЗРАБОТКА АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАТОРА ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА ЦИФРОВОЙ ИНДИКАТОР

Структурная схема построения АЦП приведена на рис.24. Частота преобразования задана в соответствии с вариантом и равна:

Диаграммы напряжений, поясняющие работу АЦП, приведены на рис.25.



4.1. Разработка генератора прямоугольных импульсов G1 с частотой .

Генератор G1 собирается по схеме, приведенной на рис.26.

Рис.26. Электрическая принципиальная схема генератора G1

Основные расчетные соотношения для схемы генератора на рис.26:

Примем

4.2 Разработка генератора пилообразного напряжения.

На рис.27 представлен ГПН.



Рис.27. Электрическая принципиальная схема генератора пилообразного напряжения

Резисторы R1, R2 выбираются равными: R1=10 КОм, R2=15 КОм.

Конденсатор С выбирается так, чтобы постоянная времени при подаче на вход генератора отрицательного напряжения была равна Т2:

Резисторы R3, R4 служат для смещения выходного напряжения с ГПН из отрицательной его части.

4.3 Разработка компаратора

Компаратор представлен на рис.28.

Рис.28. Электрическая принципиальная схема компаратора

4.4 Разработка преобразователя сигнала F с генератора G1

Преобразователь сигнала F с генератора G1 реализуется на транзисторе по схеме, приведенной на рис.29.

Рис.29. Электрическая принципиальная схема преобразователя F

Резисторы R1, R2 необходимы для ограничения тока базы и коллектора соответственно.

4.5 Разработка генератора G (управляемого мультивибратора)

Генератор G реализуется на микросхеме LM555CM в соответствии со схемой, приведенной на рис.30.

Рис.30. Электрическая принципиальная схема управляемого мультивибратора

Рис.31. Модель АЦП на основе ГПН в Multisim

Рис.32 Проверка правильности работы АЦП



5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРАМИ

В соответствии с заданием выбирается индикатор АЛС339А. Для него постоянный ток сегмента I_ПР=3мА, постоянное прямое напряжение 1.9В (при I_ПР=3мА).

Номинал резистора рассчитывается по формуле :

Мощность, выделяемая на резисторе :

Рис.33.АЦП и схема управления индикаторами



6. РАЗРАБОТКА СЕЛЕКТОРОВ СИГНАЛОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВЫДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ

Для выделения сигналов необходимо использовать компараторы. Компаратор, формирующий должен срабатывать, когда

Компаратор, формирующий должен срабатывать, когда

Электрическая принципиальная схема селекторов сигналов приведена на рис.19.

Рис.19. Электрическая принципиальная схема селекторов сигналов

Резисторы R0, R3, R4 выбираем произвольно (не меньше 1 кОм). R3=R4=1 (кОм). Резисторы R1, R2 рассчитываем из условия нулевого потенциала на неинвертирующем входе операционного усилителя при наличии напряжения срабатывания компаратора на резисторе R1 (R2):

Выделение сигнала происходит в несколько этапов в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис.20.

Рис.20. Структурная схема селектора сигнала

Первый аналоговый коммутатор позволяет из сигнала вырезать импульсы с амплитудой На детекторе данный сигнал выпрямляется и преобразуется в два одинаковых постоянных напряжения разной полярности:

Второй аналоговый коммутатор позволяет получить на выходе непрерывную последовательность разнополярных импульсов с амплитудами и . Работает он следующим образом: если

Таким образом происходит выделение сигнала из выходного сигнала датчика .

Электрическая принципиальная схема детектора приведена на рис.21.

Рис.21.Электрическая принципиальная схема детектора

Резистор R1 определяет коэффициент усиления детектора:

.

Для нахождения необходимо найти среднее за период значение Uk:

Определяем значение R1:

Цепочка R2C предназначена для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. R1 возьмем равным 2,7к.



7. РАСЧЕТ ПОЛОСОВОГО АКТИВНОГО ФИЛЬТРА, ВЫДЕЛЯЮЩЕГО 3-Ю ГАРМОНИКУ ИЗ СИГНАЛА .

Электрическая принципиальная схема полосового активного фильтра низкой добротности (Q=1,9) приведена на рис.22.

Рис.22. Электрическая принципиальная схема полосового фильтра.

Частота третьей гармоники равна 450 Гц, исходя из этого вычисляем полосу пропускания фильтра:

Перечень элементов

Обозначение	Наименование	Количество
	Микросхемы
DA1-DA3	К525ПС3	3
DA4-DA18	К140УД7	15
DА19	К590КН7	1
DA20	К590КН6	1
DD1-DD2	К155ИЕ6	2
DD3-DD4	К514УД4А	2
DD5	К155ЛИ1	1
DD6	К155АГ3	1
	Транзисторы
VT1	KT503Б	1
	Резисторы
R1	МЛТ 0,125-7,5к10%	1
R2,R20,R35	МЛТ 0,125-51010%	3
R3,R5,R7	МЛТ 0,125-91к10%	3
R4,R6,R8,R9,R10,R14,R15,R17,R21, R26,R27,R29,R30,R32,R33,R69,R70	МЛТ 0,125-10к10%	17
R11	МЛТ 0,125-1,2к10%	1
R12	МЛТ 0,125-16010%	1
R13	МЛТ 0,125-82010%	1
R16	МЛТ 0,125-1,5к10%	1
R18,R67	МЛТ 0,125-30к10%	1
R19,R68	МЛТ 0,125-100к10%	2
R23	МЛТ 0,125-9,1к10%	1
R24	МЛТ 0,125-75010%	1
R25	МЛТ 0,125-3,3к10%	1
R28,R34,R36,R56,R59,R60,R71	МЛТ 0,125-1к10%	7
R31,R72	МЛТ 0,125-33к10%	2
R22	СПН-1-36010%	1
R37,R38	МЛТ 0,125-5,1к10%	2
R39-R52	МЛТ 0,125-62010%	14
R53,R57	МЛТ 0,125-2к10%	2
R54	МЛТ 0,125-4,7к10%	1
R55	МЛТ 0,125-20010%	1
R58	МЛТ 0,125-1,1к10%	1
R61	МЛТ 0,125-2,4к10%	1
R62	МЛТ 0,125-15010%	1
R63-R66	МЛТ 0,125-3к10%	4
R73	МЛТ 0,125-12к10%	1
R74	МЛТ 0,125-120к10%	1
R75	МЛТ 0,125-15к10%	1
	Конденсаторы
С1-C3	КМ-5 200пФ10%	3
С4,С9	МБМ 16мкФ10%	2
С5,С10,С11	БМ-2 10нФ10%	3
С6	БМ-2 75нФ10%	1
С7	БМ-2 2,2нФ10%	1
C8	БМ-2 1,1нФ10%	1
	Диоды
VD1-VD10	КД504А	10
	Индикаторы
HG1-HG2	АЛС314А	2

Перечень элементов, используемых в линеаризаторе (кусочно-линейная аппроксимация)

Обозначение	Наименование	Количество
	Микросхемы
DА1-DA4	К140УД7	4
	Резисторы
R1,R2,R3,R5,R6,R7,R9,R11	МЛТ 0,125-10к10%	8
R4	МЛТ 0,125-62к10%	1
R8	МЛТ 0,125-56к10%	1
R10	МЛТ 0,125-110к10%	1
R12	МЛТ 0,125-6,2к10%	1
R13	МЛТ 0,125-1к10%	1
R14	МЛТ 0,125-3,3к10%	1
R15	МЛТ 0,125-20010%	1
	Диоды
VD1-VD6	КД504А	6



8. РАСЧЕТ ЦИФРОВОГО ФИЛЬТРА ВЫСОКОЙ ДОБРОТНОСТИ

>> r0=100e3; r=30.952e3; c=21.23e-6;

k=-r0/r;T=r0*c;

b(1)=k;

a(1)=T;a(2)=1;

hs=tf([b(1)],[a(1) a(2)])

bode(hs)

fd=1e4;td=1/fd;

hz=c2d(hs,td,'foh')

figure

bode(hz)

Transfer function:

-3.231

2.123 s + 1

Transfer function:

-7.609e-005 z - 7.609e-005

z - 1

Sampling time: 0.0001

>> a=[-7.609e-005 -7.609e-005];

>> b=a./-7.609e-005

b =1 1

На рис.19 представлены ЛАЧХ и ЛФЧХ УВПС.

Рис.19. ЛАЧХ и ЛФЧХ УВПС

На рис.20,21 изображена структурная схема УВПС в различных вариантах.

Рис.20

Рис.21

На рис.22 представлены показания осциллографов

Рис.22. Показания осциллографов



Список используемой литературы:

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.-2-е изд., перер и доп.- Л.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре.-Л.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов.-М.: Радио и связь,1991.

4. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре.-2-е изд., перер и доп.-М.: Сов. Радио,1979.

Размещено на Allbest.ru