Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Создание лабораторного стенда, который позволит приобрести инженерно-практические навыки моделирования и отладки принципиальных схем при программировании в среде Multisim



Оглавление

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Обоснование выбора программного обеспечения
• 1.2 Интерфейс Multisim
• 1.3 Инструментальные вкладки (панели)
• 1.4 Настройка интерфейса
• 1.5 Ввод схемы
• 1.6 Работа с несколькими окнами ввода схемы
• 1.7 Выбор компонентов из базы данных
• 1.8 Виртуальные компоненты
• 1.9 Реальные компоненты
• 1.10 Редактирование транзисторов, конденсаторов, индуктивности
• 1.11 Введение в симуляцию
• 1.12 Использование в Multisim симуляцию
• 1.13 Интерактивные компоненты
• 1.14 Проверка согласования схемы
• 1.15 Механизм симуляции схемы
• 1.16 Четыре этапа симуляции схемы
• Вывод по первой главе
• 2. Конструкторская часть
• 2.1 Структурная схема. Описание работы САК сортировки поршневых колец
• 2.2 Принципиальная электрическая схема
• 2.3 Выбор индуктивного датчика
• 2.4 Выбор операционного усилителя
• 2.5 Расчет генератора с мостом Вина
• 2.6 Выбор и расчет измерительной цепи
• 2.7 Выбор и расчет инструментального усилителя
• 2.8 Выбор фазочувствительного выпрямителя
• 2.9 Выбор и расчет активного фильтра 3-го порядка
• 2.10 Выбор мультиплексора
• 2.11 Выбор аналого-цифрового преобразователя
• Вывод по второй главе
• 3. Специальная часть
• 3.1 Моделирование и экспериментальные исследования генератора с мостом Вина
• 3.2 Моделирование и экспериментальные исследования измерительной цепи
• 3.3 Моделирование и экспериментальные исследования фазочувствительного выпрямителя
• 3.4 Моделирование и экспериментальные исследования фильтра 3го порядка
• Вывод по третьей главе
• 4. Экономическая часть
• 4.1 Общие сведения
• 4.2 Определение стоимости покупных изделий
• 4.3 Расчет заработанной платы лаборанта
• 4.4 Расчет стоймости силовой электроэнергии
• Вывод по разделу
• 5. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды
• 5.1 Вывод по разделу
• 5.2 Вывод по разделу
• 5.3 Вывод по разделу
• Заключение
• Список литературы

• Введение

Целью дипломного проекта является создание лабораторного стенда, который позволит приобрести инженерно -практические навыки моделирования и отладки принципиальных схем при программировании в среде Multisim.

Разработка любого радиоэлектронного устройства включает физическое или математическое моделирование. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, так как требует изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Иногда чисто физическое моделирование просто невозможно из-за сложности устройства. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники.

Наиболее простой и легко осваиваемой программой, содержащей блок логического моделирования цифровых устройств, является программа Electronics Workbench (EWB) канадской компании Interactive Image Technologies. Особенность программы - наличие в ней контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам. Опыт использования программы в лабораторном практикуме по ряду предметов показывает, что для проведения лабораторных работ достаточно двух часов предварительного ознакомления с программой.



1. Теоретическая часть

1.1 Обоснование выбора программного обеспечения

Multisim - это уникальная возможность разработки схемы, ее тестирования/эмуляции. У такого подхода есть множество преимуществ. Новичкам в Multisim не нужно беспокоиться о сложном синтаксисе SPICE ( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis - программа эмуляции со встроенным обработчиком схем) и его командах, а у продвинутых пользователей есть возможность настройки всех параметром SPICE.

Благодаря Multisim описание схемы стало как никогда простым и интуитивно понятным. Представление в виде электронной таблицы позволяет одновременно изменять характеристики любого количества элементов: от схемы печатной платы до модели SPICE. Безрежимное редактирование - это наиболее эффективный способ размещения и соединения компонентов. Работать с аналоговыми и цифровыми элементами интуитивно просто и понятно.

Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволяет пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Концепция виртуальных инструментов - это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

Также в Multisim есть специальные компоненты под названием «интерактивные элементы» (interactive parts), вы можете изменять их во время эмуляции. К интерактивным элементам относятся переключатели, потенциометры, малейшие изменения элемента сразу отражаются в имитации.

При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Некоторые примеры включают использование переменного тока, анализ наиболее неблагоприятных условий и т.д. В Multisim входит Grapher - мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции.

Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim, помогут любому разработчику схем, сэкономят его время и спасут от ошибок на всем пути разработки схемы.

Multisim также поддерживает взаимодействие с LabVIEW и Signal Express, производства National Instruments, для тесной интеграции средств разработки и тестирования.

1.2 Интерфейс Multisim

Multisim -- это редактор схем и приложение для их симуляции, входящее в систему разработки электрических схем, систему средств EDA (Electronics Design Automation), которые помогут нам в выполнении основных шагов в последовательной разработке схемы. Multisim разработана для ввода схемы, симуляции и подготовки к следующему этапу, такому как разводка платы.

Интерфейс Multisim состоит из следующих базовых элементов:

Рисунок 1 - Интерфейс Multisim

Меню. Здесь мы найдем команды для всех функций.

Стандартная инструментальная панель содержит кнопки для наиболее

употребительных функций.

Панель симуляции имеет кнопки для старта, остановки и других функций симуляции.

Панель инструментов имеет кнопки для каждого инструмента

Инструментальная панель компонентов имеет кнопки, которые позволят нам выбрать компоненты из базы данных Multisim для размещения в нашей схеме.

Окно схемы (или рабочего пространства) -- место, где мы ведемразработку своей схемы.

Панель разработки позволяет нам перемещаться по разным типам файлов проекта (схема, разводка платы, сообщения), видеть иерархию схемы и показывать или скрывать разные слои.

Вид ячеек позволяет быстро обозревать и редактировать такие детали, как параметры, включая цоколевку, ссылки, атрибуты и прочее. Пользователь может менять параметры за один шаг и производить некоторые другие операции.

1.3 Инструментальные вкладки (панели)

Инструментальные вкладки, перечисленные ниже, доступны в Multisim:

- Стандартная вкладка;

- Основная вкладка;

- Инструментальная вкладка симуляции;

- Вкладка вида;

- Вкладка компонентов;

- Виртуальная вкладка;

- Вкладка графических добавлений;

- Вкладка приборов;

Стандартная вкладка

Стандартная вкладка имеет кнопки для наиболее общих функций.

Рисунок 2 - Стандартная вкладка

Основная вкладка

Рисунок 3 - Основная инструментальная вкладка

Инструментальная вкладка симуляции

Рисунок 4 - Инструментальная вкладка симуляции

Вкладка вида

Рисунок 5 - Вкладка вида



Вкладка компонентов

Рисунок 6 - Вкладка компонентов

Виртуальная вкладка

Виртуальная вкладка используется для добавления виртуальных компонентов из библиотеки в рабочую область.



Вкладка графических добавлений

Рисунок 7 - Вкладка графических добавлений

Вкладка приборов

Виртуальные приборы - это модельные компоненты Multisim, которые соответствуют реальным приборам.

Виртуальные приборы - это простой и понятный метод взаимодействия со схемой, почти не отличающийся от традиционного при тестировании или создания прототипа.

Чтобы добавить виртуальный прибор, нужно выбрать его из вкладки (панели) приборов.

В каждой схеме может быть много приборов, включая и копии одного прибора. У каждого окна схемы может быть свой прибор. Каждая копия прибора соединяется и настраивается отдельно.

Приборы используемые в Multisim:

Мультиметр

Мультиметр предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить.

Рисунок 8 - Символ мультиметра

Рисунок 9 - Лицевая панель мультиметра

Генератор сигналов

Генератор сигналов - это источник напряжения, который может генерировать синусоидальные, пилообразные и прямоугольные импульсы. Можно изменить форму сигнала, его частоту, амплитуду, коэффициент заполнения и постоянный сдвиг. Диапазон генератора достаточен, чтобы воспроизвести сигналы с частотами от нескольких Гц до аудио и радиочастотных.

У генератора сигналов есть 3 терминала-источника импульсов. Общий центральный терминал определяет положение нуля.



Рисунок 10 - Символ генератора

Рисунок 11 - Лицевая панель

Осциллограф

В Multisim есть несколько модификаций осциллографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавливать параметры временной развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запуска измерений.

Рисунок 12 - Символ осциллографа



Рисунок 13 - Лицевая панель

Плоттер Боде

Плоттер Боде отобрадает относительный фазовый или амплитудный отклик входного и выходного сигнала.

Рисунок 14 - Символ плоттера Боде

Рисунок 15 - Лицевая панель плоттера Боде

1.4 Настройка интерфейса

Пользовательский интерфейс Multisim хорошо приспособлен к настройке. Отдельные настройки могут быть применены, когда различные типы листов становятся активны. Например, панели инструментов и подвижные окна могут реконфигурироваться при перемещении со схемного листа на лист описания.

Инструментальные панели могут крепиться в разных местах и с разной ориентацией. Содержание инструментальных панелей может приспосабливаться к нашим нуждам. Могут создаваться новые инструментальные панели. Система меню полностью настраиваема, включая все всплывающие меню для разных типов объектов.

Точно так же и система горячих клавиш полностью настраиваема. Это означает, что любые клавиши и комбинации клавиш могут назначаться для любых команд, которые могут размещаться в меню или на инструментальной панели.

1.5 Ввод схемы

Ввод схемы -- первый этап в разработке нашей схемы. На этой стадии мы выбираем нужные компоненты, размещаем их в рабочем поле чертежа в нужных местах и с нужной ориентацией, соединяем их вместе и проделываем все остальное для разработки. Multisim позволяет нам модифицировать свойства компонентов, сориентировать схему по сетке, добавить текст и штамп, добавить подсхемы и шины, управлять цветом фона, компонентов и соединений.

1.6 Работа с несколькими окнами ввода схемы

Мы можем открывать столько схем, сколько нам нужно, одновременно. Каждая схема появляется в ее собственном окне. Активное окно схемы, как и другие приложения Windows, окно с подсвеченной титульной панелью. Мы можем использовать Window в меню, чтобы перемещаться из одного окна в другое, или просто щелкнуть по закладке схемы, которая нам нужна, внизу рабочей области.

Каждое окно индивидуально и может иметь свои собственные настройки, набор компонентов и т.д. Мы можем копировать, но не перемещать, компоненты или инструменты из одного окна схемы в другое.

1.7 Выбор компонентов из базы данных

Первый шаг во вводе схемы -- это размещение подходящих компонентов в нашем окне схемы.

Мы можем использовать следующие методы для локализации компонентов в базе данных:

* Использовать панель Components для обзора всех групп компонентов.

* Поискать какой-то компонент group/family (группа/модель) в базе данных.

Как правило используется первый из этих методов. Каждая кнопка инструментальной панели Components соотносится с группой компонентов со схожей функциональностью. Щелкнув по одному из них, вы открываете обозреватель размещения компонентов (что, в сущности, есть диалоговое окно Select a Component) с отображением содержания группы этой кнопки.

1.8 Виртуальные компоненты

Multisim предлагает уникальную концепцию виртуальных компонентов. Виртуальные компоненты имеют символ и модель, но без цоколевки (footprint) и, следовательно, не «реальны» в том смысле, что их нельзя купить. Они включены для расширения возможностей симуляции.



1.9 Реальные компоненты

В некотором смысле все компоненты находящиеся в Multisim виртуальны. Они -- виртуальное представление таких компонентов, как диоды или транзисторы. Соединенные вместе и симулируемые в Multisim, они показывают нам, как такая схема будет функционировать на прототипе. Однако, когда ссылаются на «реальный» компонент в этом руководстве, это относится к реальному, который можно купить, компоненту со значениями, включающими цоколевку и тип упаковки для использования при разводке в программе типа Ultiboard.

«Виртуальный» компонент, однако, дает нам значения для экспериментов со специфическими параметрами компонента на ранней стадии разработки. Когда мы определили нужные параметры, мы можем заместить «виртуальный» компонент «реальным» (то есть, заменить виртуальный диод диодом 1N1199C).

> Для редактирования компонента в базе данных:

1. Щелкните по Edit Component in DB.

2. Обратитесь к «Введение в редактирование компонентов».

1.10 Редактирование транзисторов, конденсаторов, индуктивности

> Для редактирования значения резистора, индуктивности или конденсатора:

1. Дважды щелкните по компоненту и выберите закладку Value.

2. Измените параметр, как нужно, и щелкните по ОК.

1.11 Введение в симуляцию

Симуляция -- это математический метод эмуляции поведения схемы. С помощью симуляции мы можем определить многие свойства схемы без физической сборки схемы или использования реальных приборов. Хотя Multisim делает симуляцию интуитивно простой, технология, поддерживающая скорость и точность симуляции, как и простота использования, достаточно сложна.

Multisim объединяет ядро системы симуляции SPICE3F5 и XSPICE с добавлениями, разработанными Electronics Workbench специально для оптимизации процесса при цифровой и смешанной симуляции. И SPICE3F5, и XSPICE промышленно принятые, общедоступные стандарты. SPICE3F5 самая последняя редакция ядра SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная калифорнийским университетом в Беркли. XSPICE -- это набор уникальных расширений, сделанных к SPICE по контракту с US Air Force, который включает событийно-ориентированный смешанный режим симуляции и подсистему моделирования, расширяемую конечными пользователями. Electronics Workbench продолжило эти улучшения, используя некоторые не SPICE стандарта, совместимые с возможностями PSPICE, особенности для расширения диапазона off-the-shelf SPICE моделей.

1.12 Использование Multisim симуляции

Для просмотра результатов нашей симуляции нам нужно использовать либо виртуальный прибор, либо запустить анализ для отображения вывода симуляции. Этот вывод будет включать комбинированные результаты всех моделирующих машин Multisim.

Когда мы используем интерактивную симуляцию в Multisim (щелкнув по кнопке Run/Resume Simulation), мы увидим результат симуляции немедленно на виртуальных приборах, таких как осциллограф.

Как и интерактивную симуляцию, вы можете запустить несколько анализов вашей схемы. Результаты анализов отображаются в Grapher и могут также сохраняться для последующей обработки.

1.13 Интерактивные компоненты

Значения интерактивных компонентов могут меняться, когда мы нажимаем заданную клавишу нашей клавиатуры (предустановленную на закладке Value компонента). Мы можем менять значение интерактивного компонента в процессе симуляции и видеть результат немедленно. Например, меняя резистор в 100 кОм на меньший, можно получить не тот результат, что нужен, но с Multisim мы можем использовать переменный резистор и уменьшать его значение постепенно, пока не увидите желаемого изменения при симуляции.

1.14 Проверка согласованности схемы

Когда мы симулируем нашу схему или используем анализ, выполняется проверка согласованности схемы для определения, придерживается ли схема правил симуляции, например, а есть ли земля? Ошибки записываются в журнал ошибок. Эта функция ускоряет процесс симуляции, так как она предупреждает нас о возможных обстоятельствах, которые могут вызывать ошибки симуляции и позволяет нам исправлять ошибки до симуляции.

1.15 Механизм симуляции схем

После того, как мы создали схему и начали симуляцию, расчет схемы и генерация данных, которые мы видите на приборах, таких как осциллограф, это задача симулятора. Более точно, симулятор -- это часть Multisim, которая производит числовой расчет математического представления схемы, которую мы создали.

Для этих расчетов каждый компонент в схеме представлен математической моделью. Математические модели соединяют схему в окне редактора с математическим представлением для симуляции. Точность моделей компонентов -- одно из ключевых условий, определяющих уровень совпадения результатов симуляции с полученными при реальном воплощении схемы.

Математическое представление схемы -- это система совместных, нелинейных дифференциальных уравнений. Основная задача симулятора -- численное решение этих уравнений.

1.16 Четыре этапа симуляции схем

Симулятор в Multisim имеет четыре основных этапа: ввод, установка, анализ и вывод (описанные ниже).

Рисунок 16 - Этапы симуляции

1.17 Вывод по первой главе

В данной главе, в соответствии с заданием на дипломный проект, обоснован выбор программного обеспечения для моделирования электрических схем. Рассмотрены интерфейс программы и его настройки, инструменты, необходимые для моделирования схем, редактирование компонентов, составляющих схему, работа с библиотекой программы. Изученный материал необходим для последующего проектирования, на его основе можно выпустить методическое указание по выполнению лабораторных работ в среде программирования Multisim.



2. Конструкторская часть

2.1 Структурная схема. Описание работы САК сортировки поршневых колец

Рисунок 17 - Структурная схема для автоматического контроля и сортировки поршневых колец

Систем контроля сортировки поршневых колец является полностью автоматической системой, поскольку .

Поршневые кольца укладываются в загрузочный бункер 6 в определенном положении, ориентированном по замку. Под бункером возвратно-поступательно передвигается каретка 5, которая своими толкателями поочередно захватывает из бункера кольца и подает их на измерительное устройство к датчику.

Поступательно-возвратное движение каретки 5 осуществляется кулисным механизмом 3, который приводится в движение при помощи электродвигателя переменного тока 1, червячного редуктора 2 и ременных передач.

Через зубчатые пары (цилиндрическую, а затем две конических) приводятся в движение валики, снабженные кулачками 11. После того как очередное кольцо поступает на измерительную позицию, нижние кулачки освобождают арретиры 4, поднимающие кольцо 10 и вводят его в два полукольца обоймы 9. Затем верхние кулачки освобождают полукольца обоймы, которые под действием стяжной пружины 8 сжимают контролируемое кольцо до исчезновения зазора в замке. После установки кольца в этом положении включается датчик 7. При этом, если зазор не соответствует заданному допуску, то сработает электромагнит 14, управляющий сортирующим желобом 13.

По окончании контроля и блокировки его сигналов, верхние кулачки освобождают полукольца обоймы, после чего нижние кулачки опускают кольцо на направляющие. Следующее кольцо, поступающее на измерительную позицию, вытолкнет проверенное на сортирующий желоб, а затем в соответствующий приемный желоб 13.

Измерительное устройство выдает сигнал измерительной информации о значении радиальной толщины поршневых колец. Измерительная информация с датчика поступает на вычислительное устройство для обработки, запоминания, отображения и формирования управляющих воздействий.

Информация с датчика поступает в блок измерительных преобразователей для масштабирования, преобразования, линеаризации, фильтрации. С помощью временного мультиплексирования ввод информации в микроконтроллер осуществляется одним быстродействующим АЦП от датчиков Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6. К АЦП подключен источник опорного напряжения ИОН и генератор Г, задающий время преобразования.

Микроконтроллер осуществляет управления мультиплексором, переключая на вход АЦП сигнал от обрабатываемого датчика, а также поддерживает интерфейс связи с АЦП. Источник опорного напряжения ИОН определяет допустимый диапазон входного напряжения и влияет на шумовые характеристики преобразования.

Микроконтроллер устанавливает соответствие сигналов с датчиков заданным нормам, формирует управляющие сигналы и представляет информацию в удобном для оператора виде.

Для управления исполнительным устройством ИУ используется цифроаналоговый преобразователь ЦАП. Поскольку ИУ потребляет большой ток и требует высокого напряжения, то на входе ИУ устанавливаем операционный усилитель.

2.2 Функциональная электрическая схема

Функциональная электрическая схема, изображенная на рисунке 18, состоит из :

2.2.1 Генератора с мостом Вина

2.2.2 Измерительной цепи

2.2.3 Инструментального усилителя

2.2.4 Фазочувствительного выпрямителя

2.2.5 Фильтра 3го порядка

2.2.6 Мультиплексора

2.2.7 Устройства выборки-хранения

2.2.8 Аналого-цифрового преобразователя



Рисунок 18 - Принципиальная электрическая схема

2.3 Выбор индуктивного датчика

Датчик - это устройство, воспринимающее внешнее воздействие (измеряемую величину). Выдает эквивалентный электрический сигнал (заряд, ток, напряжение и т.д.), являющийся функцией этой измеряемой величины y=f(x), где х - входная измеряемая величина, y - выходной сигнал датчика.

Основой любого датчика является чувствительный элемент, преобразующий неэлектрические внешние воздействия в электрические сигналы.

В соответствии с физическим принципом, положенным в основу преобразования информации, различают следующие типы чувствительных элементов:

- резистивные

- электромагнитные

- гальваномагнитные

- пьезоэлектрические

- емкостные

- тепловые

- оптические

По принципу преобразования исследуемого параметра в электрический сигнал датчики бывают пассивные (параметрические) и активные (генераторные). Параметрические датчики используют электрическую энергию блока питания, а генераторные непосредственно преобразуют энергию исследуемого процесса в электрический сигнал.

Выбираем индуктивный датчик размеров типа БВ-844.

Рисунок 19 - Принципиальная схема индуктивного датчика

Действие датчика основано на преобразовании линейного перемещения в изменение индуктивности его дифференциально включенных обмоток 3 и 4 путем воздействия на подвижный элемент его магнитной системы, выполненный в виде двух дисков 1, укрепленных на измерительном стержне 2. Измерительный стержень датчика укреплен в корпусе на двух пружинах 5 мембранного типа. Рабочие воздушные зазоры д₁ и д₂ образованы магнитопроводом 6 датчика и ферромагнитными дисками 1.

Датчик предназначен для контроля размеров деталей в машиностроении.

Изготовитель: завод «Калибр», Москва.

Таблица 1 - Технические данные

Рабочий диапазон перемещений в мм	0 - 0,4
Максимальный диапазон перемещений в мм	2
Измерительное усилие в Г	200
Максимальная погрешность в мк	0,5
Габаритные размеры в мм:
Диаметр	28
Длина	111
Вес в гр	350

2.4 Выбор операционного усилителя

Операционный усилитель К140УД5Б.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в цепях с отрицательной обратной связью (ООС), в состав которых могут входить сопротивления (R), емкости (С), индуктивности (L), диоды, транзисторы и другие элементы.



Рисунок 20 - УГО усилителя

где 1 - напряжение питания -U_п;

2,3,4,6,12 - коррекция;

5 - выход;

7 - напряжение питания +U_п;

8,9 - входы инвертирующие;

10,11 - входы неинвертирующие;

Таблица 2 - Электрические параметры усилителя

Обозначе-ние	Электрические параметры	Допуск	К140УД5Б	Размерность
К	Коэффициент усиления напряжения	>	1000	В/мВ
	Напряжение источника питания	10%	12	В
	Диапазон выходных напряжений		+6,5; -4,5	В
	Напряжение смешения нуля	<	5	мВ
	Ток потребления	<	12	мА
	Входной ток	<		нА
	Разность входных токов	<		нА
	Входное сопротивление	>	0,003	Мом
	Выходное сопротивление	<	700	Ом
	Температурный дрейф напряжения смещения	<	10	мкВ/0С
	Частота единичного усиления	>	10	мГц
	Синфазное входное напряжение		6	В
	Дифференциальное входное напряжение		3	В
	Скорость нарастания выходного напряжения		6	В/мкс
	Сопротивление нагрузки		5	кОм
T	Температура окружающей среды	-	-10…+70	° C

2.5 Расчет генератора с мостом Вина.

Исходные данные:

f_г = 2000 Гц

ПД 012 В

Рисунок 21 - Функциональная схема генератора с мостом Вина

Генератор выполнен на микросхеме К140УД5Б.

В качестве частотно-зависимой цепи используется мост Вина, включенный ПОС:

, (1)

На этой частоте коэффициент положительной обратной связи x=1/3 и фазовый сдвиг, вносимый цепью этой связи, равен 0. Поэтому для возникновения колебаний необходим неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления k=1/x=3. Для того чтобы генерация возникла и не сорвалась, этот коэффициент должен несколько превышать 3. При этом однако в отсутствии стабилитронов D1 и D2 амплитуда выходного напряжения будет нарастать вплоть до Uвых m=Uнас, где Uнас=Uпит = 12 В.

В установившемся режиме форма выходного напряжения будет отличаться от синусоиды, появятся горизонтальные участки, где Uвых = Uнас . При этом указанные участки будут тем шире, чем больше коэффициент усиления превышает 3. В пределе при высоком коэффициенте усиления кривая будет иметь трапецеидальную форму, приближающуюся к прямоугольной.

Включение стабилитронов D1 и D2 в цепь ООС делает последнюю нелинейной, что позволяет ограничить амплитуду на требуемом уровне. При малых значениях напряжения Uвых напряжение на диодах Uп меньше напряжения стабилизации Uст, сопротивление R3 не зашунтировано диодами. Сопротивления R1,R2,R3 выбираются так, чтобы коэффициент усиления К был больше 3, вследствие чего амплитуды выходного напряжения и пропорционального ему напряжения на диодах Uд возрастают.

, (2)

При достижении напряжением Uд амплитудного значения, равному напряжению стабилизации Uст, и соответствующему ему амплитудного значения Uвых, тот или иной диод открывается, или пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Вследствие этого выходное напряжение будет изменяться, но уже в противоположном направлении, возрастая (по модулю) до амплитудного значения другого знака. Включение стабилитрона предотвратит насыщение. Таким образом, колебания установятся с амплитудой, что следует из закона Ома.

Uвых m= (R3+R4+R5)/R3 , (3)

Расчет:

Необходим генератор, обеспечивающий частоту колебаний, равную:

fг = 10*fср, (4)

Для моста Вина частота генерации определяется по формуле:

fг= R=== 0,239? 104=2,4кОм

Используя номинальный ряд Е24, принимаем:

R1 = R2 = R = 2,4 кОм

C1 = C2 = C = 33 нФ

R3=2,6 кОм.

Напряжение стабилизации на паре стабилитронов D1 и D2 Uст= ±4,2 В.

Убедимся, что коэффициент усиления до включения стабилитронов больше 3, а после включения меньше 3.

До включения стабилитронов:

> 3, (5)

> 3

После включения стабилитронов:

< 3, (6)

Таким образом, в приведенной схеме возникнут автоколебания.

Амплитуда колебаний:

2.6 Выбор и расчет измерительной цепи

Изменение измеряемой величины преобразуется в электрический сигнал с помощью чувствительного элемента датчика. ЧЭ включается в измерительную схему, питаемую от генератора с мостом Вина.

Измерительная схема преобразует сигнал, полученный от ЧЭ в процессе изменения в вариации амплитуды (амплитудная модуляция).

Выбираем параметрическую измерительную схему для включения ЧЭ: высокой точностью и малой чувствительностью к помехам являются мостовые схемы.

Выбираем комбинированный мост с двумя рабочими ЧЭ - L1 и L2.



Рисунок 22 - Функциональная схема измерительной цепи

Расчет:

Для начала найдём индуктивность L по формуле:

, (7)

где N - это количество витков;

d - диаметр катушки, см.;

l - длина намотки, см.

По справочнику берем N = 3500 , d = 2 см, l = 350 см

, (8)

- служит для балансировки моста.

Примем

Рассчитаем выходное напряжение:



, (9)

Датчик выполнен из высокотехнологичных материалов:

сердечник шихтованный, L1 и L2 имеют высокую добротность (), а следовательно

, и поэтому:

, (10)

где =- напряжение питания моста.

Для индуктивного датчика:

Задаемся предельным значением отклонения

= 0,1*1,4*10^-3 Гн =

Тогда:

=535мВ

2.7 Выбор и расчет инструментального усилителя

Измерительные усилители предназначены для нормализации сигнала после измерительных схем, приведения его к стандартному уровню.

Напряжение внутренней диагонали мостовой схемы необходимо усилить до величины, которая соответствует максимальному входному напряжению аналого-цифрового преобразователя равно U_{пит АЦП} =10 В, напряжение с датчика при этом

U_дат = 0,25 - (-0,25) = 0,5 В.

В справочных данных на ОУ К140УД5Б напряжение питания U_и.п.= ±12 В.

Типовая схема инструментального усилителя на К140УД5Б

Рисунок 23 - Функциональная схема инструментального усилителя

Расчет:

Положим

Задаем напряжение на входе и выходе усилителя:

U_{пит мax} = 0,5В

U_вых = 10В

Найдем коэффициент усиления:

U_вых = , (11)

Принимаем R16=R18=100кОм, R13=R14=R15=R16=11кОм

Рассчитаем R9:

, (12)

Рассчитаем R10:

, (13)

Рассчитаем R11:

, (14)

Рассчитаем R12:

, (15)



Напряжение на выходе усилителя: .

Аналоговый выходной сигнал усилителя рассчитан на подачу на вход АЦП. Уровень этого сигнала согласован с входным диапазоном АЦП.

2.8 Выбор фазочувствительного выпрямителя

Фазочувствительный выпрямитель устанавливают на выходе усилителя, поэтому приведенный ко входу усилителя дрейф нуля пренебрежно мал. Фазовочувствительный выпрямитель обеспечивает получение постоянного (медленно меняющегося) напряжения или тока. Для уменьшения погрешностей преобразования, обусловленных нелинейностью ВАХ диодов, в точных выпрямителях используют операционные усилители.

В зависимости от того, какой параметр переменного напряжения надо измерить, различают выпрямители среднего значения, амплитудные, действующего значения, фазовые и частотные.

Данная схема является фазочувствительной

(НФЧВ).

Рисунок 24 - Функциональная схема фазочувствительного выпрямителя

Поскольку сигнал не требует усиления, то

R20=R21= R22=R23=10 кОм

U_вых = U_вх = 10 В.

2.9 Выбор и расчет активного фильтра 3-го порядка

Аналоговые активные фильтры на основе ОУ подключают к выходу демодулятора.

Фильтры низких частот (ФНЧ) используются для выделения постоянной составляющей выходного напряжения, нейтрализации помехи и улучшения качества сигнала.

ФНЧ пропускают полезный сигнал на выход, фильтруя при этом высокочастотные сигналы.

Рисунок 25 - Функциональная схема фильтра 3го порядка

Исходные данные:

f_ср = 200 Гц

K₀=2

Расчет:

Принимаем C=C3=C4=С5

При этом C=

Принимаем R=R24=R25=R26

При этом:

Запишем формулу для определения коэффициента усиления в полосе пропускания

= 2, (16)

Отсюда определим значения сопротивлений R3, R4:

, (17)

, (18)

Выбираем из номинальных значений ряда Е24:

R₂₇₌R₂₈ = 24 кОм

2.10 Выбор мультиплексора

Для коммутации аналоговых сигналов после ФНЧ устанавливают аналоговый мультиплексор (АМХ). Он осуществляет выборку в соответствии с кодом адреса одного из нескольких входов и подключает его к выходу.

Следовательно будем использовать мультиплексор на 8 разрядов и 3 адресных входа:

n = 3

Nинф = 2 ⁿ = 8, (19)

Рисунок 26 - Функциональная схема мультиплексора

Таблица 3 - Таблица истинности:

Адресные входы
А0	А1	А2	Выход,Y
0	0	0	X1
0	0	1	X2
0	1	0	X3
0	1	1	X4
1	0	0	X5
1	0	1	X6
1	1	0	X7
1	1	1	X8

Запишем логическое выражение:



, (20)

2.11 Выбор аналого-цифрового преобразователя

Сущность аналого-цифрового преобразования сигнала состоит в быстром и точном измерении величины аналогового сигнала и последующее представление его в цифровой форме - обычно в позиционный двоичный код (ПДК). Процессы квантования и кодирования представляют собой основную операцию аналого-цифрового преобразования. Приборы, в которых измеренная аналоговая величина преобразуется в дискретную, называются аналого-цифровыми преобразователями.

Исходные данные:

ПД = 0ч10 В

= 0,5

Расчет:

Определим разрядность АЦП:

, (21)

Выбираем по таблице ближайшее значение разрядности n=8.

Для определения времени преобразования воспользуемся Теоремой Котельникова:

, (22)

где - частота дискретизации

Отсюда определим шаг дискретизации:

, (23)

Время преобразования:

, (24)

Тактовая частота взятия выборок:

Определим шаг квантования Q:

=39 мВ

Методическая погрешность квантования:

, (25)

Проверим, выполняется ли условие минимизации апертурной погрешности АЦП:

Условие минимизации выполняется, следовательно АЦП обладает достаточным быстродействием и не требует подключения устройства выборки и хранения (УВХ).

В соответствии с полученными параметрами, выбираем восьмиразрядный АЦП последовательного приближения К572ПВ3. Находим его данные по справочнику.

Микросхема К572ПВ3 представляет собой 8-ми разрядный АЦП последовательного приближения, сопрягаемый с микропроцессором. Связь с микропроцессорами осуществляется в режиме записи и преобразования данных. В качестве управляющих сигналов используется сигнал адресации СS, выдаваемый всеми микропроцессорами, и сигнал считывание/запись RD.

Рисунок 27 - УГО АЦП

Разрешающая способность:

В состав ИС входят 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, компаратор напряжения, регистр последовательного приближения, логическая схема управления и синхронизации, выходные схемы с тремя состояниями для согласования с внешней шиной.

АЦП имеет два одинаковых входа АI1и AI2, соединенных внутренними резисторами с одним и тем же входом компаратора. На этот же вход компаратора подается выходной ток цифро-аналогового преобразователя, управляемого регистром последовательного приближения.

Микросхема К572ПВ3 обладает достаточным быстродействием и не требует подключения устройства выборки и хранения (УВХ). Микросхема выполняет функцию 8-разрядного аналого-цифрового преобразования однополярного входного сигнала (от 0 до 10 В).

2.12 Вывод по второй главе

Разработанная в настоящей главе структурная, функциональная и принципиальная схемы усилительного канала индуктивного датчика позволили получить на входе АЦП унифицированный сигнал постоянного напряжения в диапазоне 0 - 10В со ступенчато-регулируемым коэффициентом усиления.



3. Специальная часть

3.1 Моделирование и экспериментальные исследования генератора с мостом Вина

В среде программирования «Multisim» мы смоделировали генератор с мостом Вина. Подключили ко входу и выходу генератора осциллограф и сняли показания.

Рисунок 28 - Генератор с мостом Вина



Рисунок 29 - Показания осциллографа

Как видно из показаний осциллографа, коэффициент усиления меньше 3, следовательно, наши расчеты верны.

Отдельно построим мост Вина.

Рисунок 30 - Мост Вина



Изучение свойств моста Вина можно провести, воспользовавшись его АЧХ в(f) и ФЧХ Ш(f) по напряжению, полученных с помощью плоттера Боде, перемещая визирную линию в его окне и анализируя числовые значения коэффициентов в(f) и Ш(f), выводимые ниже рабочего поля плоттера. Так, при остановке визирной линии на частоте f₁=796 Гц коэффициент , фазовый угол , а напряжение разбалансировки моста U_аб=0.

Рисунок 31 - АЧХ

Рисунок 32 - ФЧХ



3.2 Моделирование и экспериментальные исследования измерительной цепи

Рисунок 33 - Функциональная схема измерительной цепи

Резистор R8, показанный на рисунке 33, является переменным, с его помощью мы сбалансируем и разбалансируем мост.

Рисунок 34 - Показания осциллографа



На рисунке 34 представлены показания, при значении резистора R8=0 кОм (0%).

Рисунок 35 - Показания осциллографа

На рисунке 35 представлены показания, при значении резистора R8=11,2 кОм (20%).

Рисунок 36 - Показания осциллографа

На рисунке 36 представлены показания, при значении резистора R8=19,6 кОм (35%).

Рисунок 37 - Показания осциллографа

На рисунке 37 представлены показания, при значении резистора R8=28 кОм (50%). Амплитуды совпадают, мост сбалансирован.

Рисунок 38 - Показания осциллографа



На рисунке 38 представлены показания, при значении резистора R8=36,4 кОм (65%).

Рисунок 39 - Показания осциллографа

На рисунке 39 представлены показания, при значении резистора R8=44,8 кОм (80%).

Рисунок 40 - Показания осциллографа



На рисунке 40 представлены показания, при значении резистора R8=56 кОм (100%).

3.3 Моделирование и экспериментальные исследования фазочувствительного выпрямителя

Рисунок 41 - Демодулятор

Изменяя значение переменного резистора R8 в измерительной цепи, мы получаем различные по величине сигналы на выходе модулятора, ниже представлены рисунки.



Рисунок 42 - Показания осциллографа

На рисунке 42 представлены показания, при значении резистора R8=28 кОм (50%).

Рисунок 43 - Показания осциллографа

На рисунке 43 представлены показания, при значении резистора R8=36,4 кОм (65%).

Рисунок 44 - Показания осциллографа

На рисунке 44 представлены показания, при значении резистора R8=44,8 кОм (80%).

Рисунок 45 - Показания осциллографа

На рисунке 45 представлены показания, при значении резистора R8=56 кОм (100%).

3.4 Моделирование и экспериментальные исследования фильтра 3го порядка

Рисунок 46 - Функциональная схема фильтра

Рисунок 47 - Показания осциллографа

На рисунке 47 представлены показания фильтра 3го порядка. Здесь отчетливого видно, что показания в точке Д в 2 раза больше, чем в точке С. Это объясняется тем, что показания в точке С снимаются с прямого входа усилителя и К_ус=2.



3.5 Вывод по специальной части

В настойщей главе, по отдельности, были смоделированы и исследованы части функциональной схемы усилительного тракта индуктивного датчика. Показания, полученные с виртуальных приборов, сравнивались с расчетными. На основе полученного материала можно выпустить методическое указание по компьютерному моделированию и анализ схем электронных устройств.



4. Экономическая часть

4.1 Общие сведения

Использование Multisim позволяет не только создавать системы сбора данных, но и использовать максимум возможностей единой среды, позволяющей легко разрабатывать и адаптировать приложения с использованием инновационных технологий, таких как встраиваемые системы, платформы с поддержкой вычислений в режиме реального времени и другие. К примеру, LabVIEW позволяет использовать единую среду, как при разработке приложения, так и при конфигурировании ПЛИС. По этой причине изучение и работа с Multisim значительно повышает возможности специалиста, а также его ценность на рынке труда.

Обычно необработанные данные содержат мало полезной информации в явном виде. Перед тем, как представлять экспериментальные данные, их необходимо должным образом обработать, к примеру, отфильтровать шум, провести компенсацию параметров окружающей среды, таких как температура и влажность. По этому функции обработки сигналов - обязательная часть набора инструментов практически каждого инженерного приложения. В среде Multisim имеется обширный программный инструментарий, позволяющий выполнить обработку сигналов без привлечения дополнительного программного обеспечения и необходимости написания собственных процедур обработки.

Обычно приборы и большинство программного обеспечения имеют фиксированный функциональный набор пользовательского интерфейса, который обеспечивает реализацию всех функций устройства либо конкретного программного обеспечения, однако, зачастую не может быть использован для решения более специфических задач. Такой подход обладает двумя недостатками:

Отображаемый поток исходных данных обычно не используется сразу. В большинстве случаев интерес представляют либо какие-то фрагменты исходного потока данных, либо результаты его обработки и анализа.

Специфические задачи требуют использования неоправданно сложных элементов управления - вложенных меню, настроек и режимов, что делает работу с приборами сложнее.

В организации лабораторного практикума на кафедре «АиПУ» так же, как и на других кафедрах МГТУ «МАМИ», среди основных проблем, препятствующих их развитию, можно выделить:

- практическая невозможность заказать и получить новое современное оборудование и приборы ввиду ограниченного финансирования.

- ограниченность площадей лабораторий для размещения нового оборудования.

Вместе с тем в настоящее время все больше возрастает значение компьютеров при создании информационно-измерительных систем. Это связано с широкими возможностями компьютеров по оперативной обработке результатов измерений и их наглядной интерпретации.

Цель внедрения программного обеспечения Multisim

Информация с платы сбора данных поступает сразу в программный код, что экономит время на ввод информации, ее обработку и исключает ошибку. Тем самым сокращается очевидные преимущества:

Автоматизация процедуры внесения корректировок при изменении информации поступающей с платы сбора данных (что особенно важно при проведении частых экспериментов в университете);

Контроль за сроками статистического расчета и моделирования параметров;

Уменьшение площадей, ранее занятых бумажной документацией и лабораторными стендами;

Существенное упрощение процедуры расчета данных для студентов.

4.2 Определение стоимости покупных изделий

Стоимость покупных полуфабрикатов или комплектующих изделий С_пк, руб. определяют по формуле

С_пкi=еN_пкj ·Ц_пкj , (26)

где N_пкj - количество покупных изделий j-ого вида, шт;

Ц_пкj - цена j-ого покупного изделия за штуку, руб.

В таблице 1 приведена стоимость оборудования и периферийных устройств, необходимых для проведения данного лабораторного практикума.

Таблица 1 - Стоимость устройств

Наименование и марка изделий	Количество, шт.	Цена за ед., руб.	Суммарные затраты, руб.
Персональный компьютер	1	28000	28000
Программа Multisim	1	17000	17000
Итого:	45000

Из таблицы 6 следует, что стоимость системы сбора данных равна:

Y = 28000 + 17000 = 45000

где Y - общие затраты на оборудование NI, руб

Также имеется возможность установки на один ПК большого количества различного программного обеспечения. Таким образом, при наращивании испытаний за счет увеличения виртуальных стендов, затраты на оборудование не производятся, а производятся только на новое ПО и модули. Ко всему этому студент получает возможность пройти образовательную программу индивидуально, а не в бригадном распределении, как было раньше.



4.3 Расчёт заработной платы рабочих

В нашем случае зарплата лаборанта составит

O_пр * 0,5 = 5000*0,5 = 2500 (руб.)

Где O_пр - оклад преподавателя согласно новой системе оплаты труда;

0,5 - коэффициент ставки;

Повышающие коэффициенты в данном случае отсутствуют.

Для расчета общего фонда заработной платы определяется основной фонд зарплаты (Ф_осн) путем прибавления к тарифному фонду рабочего доплат и премий в размере 40%, т.е.:

, (27)

Ф_осн = 1.4*2500=3500 руб.

Затем определяется фонд дополнительной зарплаты (Д_з):

, (28)

Д_з =14%*3500=490 руб.

После этого определяется величина отчислений по единому социальному налогу ЕСН (Ф_есн) в размере 26% от (Ф_осн+Д_з):

(29)

Ф_есн=26%*(3500+490)=1037.4 руб.

Далее определяется общий фонд зарплаты (Ф_общ):

(30)



Ф_общ=3500+1037.4=4537.4 руб.

4.4 Стоимость силовой электроэнергии

Расход силовой электроэнергии зависит от мощности оборудования и степени их использования в работе по мощности и по времени. Он определяется по формуле:

(31)

где - годовые расходы на электроэнергию, руб;

- суммарная установленная мощность оборудования, кВт;

- суммарное время выполнения одного цикла разгрузки, мин;

- годовая программа выпуска продукции, т;

- средний коэффициент загрузки установленной мощности;

- средний коэффициент использования установленной мощности по времени;

- коэффициент, учитывающий потери тока в сети;

- КПД электродвигателей;

- цена 1 квт/ч электроэнергии на данный период, руб.

Для определения затрат на амортизацию оборудования учитывается норма амортизационных отчислений в % от балансовой стоимости этого оборудования:

Зам баз = 11.8% * 45000 = 5310 руб. (32)

где, Зам баз - затраты на амортизацию оборудования , руб;

Затраты на капитальный ремонт оборудования.

При расчёте затрат на капитальный ремонт оборудования учитывается норма отчислений в фонд капремонта в % от балансовой стоимости объекта:

Зам баз = 7% * 45000 = 3150 руб. (33)

где, Зкр баз - затраты на капитальный ремонт оборудования , руб;

Таблица 1 - Смета затрат на операцию.

№ п/п	Статьи затрат	Проектируемое оборудование
1	Заработная плата оператора	4537.4
2	Затраты на силовую электроэнергию	75789.5
3	Амортизационные отчисления	5310
4	Отчисления в фонд капитального ремонта оборудования	3150
Итого на годовую программу:	Сг баз
	88786.9

Себестоимость лабораторного стенда 4537.4 + 75789.5 + 5310 + 3150 = 88786.9 рублей

Вывод по разделу

В разделе произведен расчет стоимости лабораторного стенда, которая составляет 45000 руб., а так же расчёт заработной платы лаборанта, которая составляет 4537.4 руб. В разделе произведён расчёт себестоимость лабораторного стенда, который составляет 88786.9 рублей. Разработанный лабораторный стенд позволит студентам эффективно изучить канал сбора данных, используя свои навыки по электронике и программированию.



5. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

5.1 Безопасность жизнедеятельности

Требования к производственным помещениям

Коэффициенты отражения:

В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величины коэффициента отражения: для потолка: 60…70%, для стен: 40…50%, для пола: около 30%. Для других поверхностей и рабочей мебели: 30…40%.

Освещение:

При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,3…0,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,5…1,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно [12].

Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная - 750лк; аналогичные требования при выполнении работ средней точности - 200 и 300лк соответственно.

Параметры микроклимата:

Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и харак­тера производственного помещения (см. табл. 7.1) [11].

Нормы подачи свежего воздуха в помещении, где расположен компьютер, приведены в табл. 2.

Таблица 2- Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютеры

Шум и вибрация

В табл. 3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности.

Таблица 3-Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах.



Электромагнитное и ионизирующее излучения

Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от монитора компьютера представлены в табл. 4 программный цифровой интерфейс мultisim

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10…100мВт/м².

Таблица 4- Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)

Расчет освещенности

Расчет освещенности рабочего места сводится к выбору системы освещения, определению необходимого числа светильников, их типа и размещения. Исходя из этого, рассчитаем параметры искусственного освещения.

Обычно искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использовать люминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют ряд существенных преимуществ [13]:

1)по спектральному составу света они близки к дневному, естественному свету;