Пристрій обробки електричних сигналів

Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кафедра інформаційних технологій та телекомунікаційних систем

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Мікросхемотехніка»

Пристрій обробки електричних сигналів

Керівник роботи: викладач кафедри

Борзов Ю.О.

Виконав: студент

гр. ІБ-31 Горон Роман

Львів 2009

Вступ

Інтегральна схема - це електронна схема довільної складності, виготовлена на напівпровідниковому кристалі (чи плівці) і поміщена в нерозбірний корпус. У наш час електронні механізми застосовуються в безлічі областей, що є особливістю сучасного прогресу. Під інтегральною схемою розуміють кристал або плівку з електронною схемою, а під мікросхемою інтегральну схему, укладену в корпус.

Основний елемент мікросхем - транзистори. Різниця в технології істотно впливає на характеристики мікросхем. Часто в описі мікросхеми призводять технологію виготовлення, вказуючи таким чином характеристики, властивості та можливості мікросхеми. В останніх сучасних технологіях щоб домогтися поліпшення характеристик мікросхем, об'єднують технології польових і біполярних транзисторів.

За своїм призначенням мікросхеми поділяються на аналогові та логічні (цифрові). Аналогові використовуються для підсилення, генерування, перетворення електричних коливань, наприклад, у приймальниках, магнітофонах, телевізорах. Логіка ж мікросхеми призначена для електронних обчислювальних машин, пристроїв автоматики і зв'язку, сучасного аудіо-та відеотехніки, одним словом, для всіх приладів і пристроїв з цифровим перетворенням даних.

Функціональну схему пристрою обробки сигналів показано на рис. 1, гармонічний сигнал генерується за допомогою RC - автогенератора 1, на виході якого формується сигнал частотою f₁ і амплітудою Um за якої забезпечується робота компаратора 2.

Послідовність імпульсів з виходу компаратора через диференціююче RC - коло, за допомогою якого скорчується тривалість імпульсів до значення t₁ поступає на вхід логічного елемента «І»

Автоколивальний мультивібратор 4 формує прямокутні імпульси тривалістю t₁ і частотою f₂ (рис. 2, г), які подаються на другий вхід логічного елемента «І». За умови збігу в часі на виході ЛЕ виділяються імпульси. Вони поступають на вхід загальмованого мультивібратора 5, який формує імпульси тривалістю t_2.

Рис.1. Функціональна схема пристрою.

Генератор 1, мультивібратор 4, одно вібратор 5 та генератор лінійно - змінної напруги 6 створюються на основі заданого ОП. Функціональні вузли створюються за допомогою ІМС, які потрібно самостійно вибрати й обґрунтувати.

Вибираючи ІМС, необхідно враховувати значення напруги живлення. Оптимальним є використання ІМС з однаковою напругою живлення.

Операційний підсилювач

Принципова схема операційного підсилювача 140УД6

Тип корпусу з позначенням виводів операційного підсилювача 140УД6

Позначення виводів:

1	Баланс 0.
2	Інвертуючий вхід
3	Неінвертуючий вхід
4	Живлення -15
5	Корпус
6	Вихід
7	Живлення +15

Тип корпусу з позначенням виводів операційного підсилювача 153УД6.

Позначення виводів.

Електричні параметри

ОП	Um MB	f1 кГц	Uоп MB	t1 мкс	f2 кГц	t2 мкс
К140УД6	140	420	110	4	4.2	24

Розрахунок RC-автогенератора

Генераторами гармонійних коливань називають електронні пристрої, які перетворюють енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих синусоїдних коливань заданої частоти та потужності. До складу таких генераторів входять активний елемент, частотно - вибіркова система зворотного зв'язку, а в разі необхідності - підсилювач потужності. Як активний елемент в генераторах використовують тунельні діоди, які мають відрізок від'ємного опору; транзистори та інтегральні підсилювачі (особливо ОП).



Для поліпшення форми кривої вихідної напруги частотно - незалежну гілку від'ємного незалежного зв'язку (ВЗЗ) у мості Віна звичайно виконують інерційно - нелінійного. Необхідний характер нелінійності забезпечується тоді, коли з ростом амплітуди сигналу зменшується опір R4 або збільшується опір R3. Тому в якості R3 використовується напівпровідник терморезистора. У якості інерційно - нелінійного резистора застосовують перехід витік - стік польового транзистора, на затвор якого подають випрямлену та згладжену вихідну напругу генератора.

Автоколивання виникають за умови, що коефіцієнт підсилення ОП заданий співвідношенням опорів R4/R3, більший ніж три.

Сталі автоколивання в замкненому ланцюзі можливі тільки за умови точної рівності одиниці одиничного коефіцієнта петльового підсилення на частоті f_0. Але, для виникнення автоколивань потрібно, щоб на початку коефіцієнта петльового підсилення був більшим 1. Після виникнення автоколивань їхня амплітуда стабілізується в кінцевому рахунку на рівні, при якому за рахунок нелінійного елемента в петлі коефіцієнт зменшується до 1. Якщо не вжити спеціальних заходів, то згадана нелінійність проявиться в амплітудній характеристиці ОП, а форма автоколивань у такому випадку буде помітно відрізнятися від синусоїди.

Необхідний характер не лінійності забезпечується тоді, коли при збільшенні амплітуди сигналу зменшується опір R3 або зростає опір R4.

При побудові генераторів із частотно - залежними ланцюгами, що забезпечують на частоті автоколивань зсув фази, рівний 0, - зручно використовувати потенціально - струмові різновиди селективних ланцюгів. Такі ланцюги призначені для використання разом із ОП, що мають малі вхідні та вихідні опори.

Розрахунок таких генераторів зводиться до вибору номіналів опорів та конденсаторів.

У моєму варіанті для забезпечення автоколивань (квазірезонансу) з частотою f₀ =120 кГц згідно з формулою для частоти роботи RC - генератора вибираємо опір R=1kOм (із ряду E24) типу МЛТ 0,25. Виходячи з попередньої формули. отримуємо:

Розрахунок компаратора

Компаратори - це елементи порівняння, які широко використовуються в системах контролю та автоматичного керування й відносяться до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі ОП, порівнює вимірювану напругу, яка подається на один із входів (переважно на інтвертувальний), із опорною напругою (наперед заданою), яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незмінною в часі, додатної чи від'ємної полярності, а вхідна напруга - змінюється. Коли вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний (з на чи навпаки). Тому компаратор має ще назву “нуль-орган”, оскільки зміна полярності вихідної напруги (перемикання) відбувається за умови, що u_вх - U_оп = 0, де U_оп - опорна напруга.

Якщо на інвертувальний вхід подається синусоїдний сигнал (u_вх), а на неінвертувальний - постійна напруга (U_оп) додатної полярності, то вхідна напруга ОП . До моменту часу від t₁ до t₂ , тому . В проміжку часу від t₁ до t₂ , тому .

Компаратори для порівняння напруг однієї полярності випускають у вигляді мікросхеми.

Основним показником операційних підсилювачів, що працюють в імпульсному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та часом зростання вихідної напруги. Найбільшу швидкодію мають спеціалізовані операційні підсилювачі, що отримали загальну назву "Компаратори", які призначені для імпульсного режиму роботи. Затримка спрацьовування (час затримки вихідного імпульсу) таких мікросхем менше 1 мкс, а час зростання вихідної напруги - соті частини мікросекунди.

У схемному виконанні компаратор має вигляд:

Диференціююче RC-коло

Схеми формування та генерування імпульсів найчастіше мають лінійні RС-кола, які вводяться штучно (зарядно-розрядні кола, що хронометрують, кола, що диференціюють та ін.) або існують самостійно в схемі (ємності p-n-переходів, паразитні ємності і т. д.). Розглянемо найбільш широко застосовувані RС-кола, що диференціюють та інтегрують.

Диференціюючі ланцюжки - це кола, в яких напруга на виході пропорційна похідній напруги входу U_вих =а(U_вх /dt).

Диференціюючі ланцюжки застосовуються для диференціювання сигналів будь-якої форми, у тому числі й гармонічних. При цьому розв'язують дві основні задачі перетворювання сигналів; отримання імпульсів дуже малої тривалості (вкорочення імпульсів), які використовують для запуску керованих перетворювачів електроенергії, тригерів, одновібраторів та інших пристроїв; виконання математичної операції диференціювання (отримання похідної в часі) складних функцій, заданих у вигляді електричних сигналів, що часто зустрічається в обчислювальній техніці, апаратурі авторегулювання та ін.

Схема ємнісного диференціюючого кола

Вхідна напруга U_вх прикладається до всього кола, а вихідна знімається з резистора R. Струм, що протікає через конденсатор, зв'язаний з напругою па ньому відомим співвідношенням і_С = С(dU_C /dt). Враховуючи, що той же самий струм протікає через резистор R, запишемо вихідну напругу:

Якщо U_вих << U_вх, що справедливо, коли спад напруги на резисторі R набагато менший за напругу U_C, то рівність можна записати у наближеному вигляді:



Для імпульсів напруги має виконуватися нерівність RC << t_івх, де t_івх - тривалість вхідного імпульсу.

У початковий момент напруга на конденсаторі дорівнює нулю, а напруга на виході стрибком досягає максимального значення, яке дорівнює амплітуді вхідного сигналу.

Зразу ж починається зарядження конденсатора зі сталою часу ф = RC.

Через час t = ф напруга на виході дорівнюватиме:

Тобто напруга на виході зменшується в «е» разів та досягне рівня:

U_вих =0,37 U_вх

Напруга на конденсаторі:

U_с=U_вих - U_вх

U_с=0,63 U_вх

Через час t= 2ф напруга на виході зменшується до рівня:

Через час t= 3ф перехідні процеси практично закінчуються.

Тривалість перехідних процесів визначають як час зміни напруги U_вих від 0,05 до 0,95, або на рівнях 0,1 та 0,9, що відбуваються приблизно за 3ф.

Тривалість імпульсу на виході RC-кола буде становити

ф _імп= 3RC.

Враховуючи вище зазначене, обраховуємо опір резистора та ємність конденсатора:

t_івх= 4мкс=4*10^-6с

t_івх =ф _імп= 3RC

RC=4/3*10⁶= 4,3*10^-6

Звідси R=4,3*10^-6/С, а С= 1,3*10^-6/ R.

Виберемо резистор для RC-кола 2кОм, тоді

С= 4,3*10^-6/10³= 4,3*10^-9= 4300 pF

Логічний елемент «І»

Комбінаційними логічними елементами (ЛЕ) називають функціональні вузли електронної техніки, реалізуючі функції алгебри логіки так. Що стан із виходів однозначно визначається комбінацією вхідних сигналів і не залежить від попереднього стану елементу.

З точки зору схемотехніки ЛЕ описуються двома множинами параметрів і характеристик: логічними і електричними. До логічних елементів відносять реалізовану ЛЕ функцію алгебри логік, рівні нуля і одиниці на виході і і на виході ЛЕ., тривалість затримки розповсюдження сигналу, тривалості фронту наростання і спаду вихідного сигналу. До електричних характеристик ЛЕ відносять сім'ї вхідних, передатних і вихідних характеристик з урахуванням впливу напруги джерела живлення і температури, а також енергетичні параметри ЛЕ: споживану енергію в стані «логічного 0» і «логічної 1» на виході.

Логічна схема на основі ключів з двома або більше входами й одним виходом виконує операцію логічного множення, якщо сигнал зі значенням 1 з'являється на виході лише тоді, коли на всі входи одночасно подають сигнали логічної 1; у противному разі (навіть за наявності на входах одного 0) вихідний сигнал відсутній (дорівнює логічному 0).

Для реалізацій логічного елемента для мого варіанту потрібно вибрати такий тип ЛЕ, який не потребуватиме додаткового блоку живлення. Тобто напруга живлення співпадатиме з напругою живлення ОП 153УД6.

Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ, TTL) -- різновид цифрових мікросхем, побудованих на основі біполярних транзисторів. Назва транзисторно-транзисторний з'явилось через те, що транзистори використовуються як для виконання логічних функцій (наприклад, І АБО), так і для посилення вихідного сигналу (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).

ТТЛ набула широкого поширення і застосовується в комп'ютерах, АСУТП, електронних музичних інструментах, а також в контрольно-вимірювальній апаратурі. Завдяки широкому поширенню ТТЛ вхідні і вихідні ланцюги електронного устаткування часто виконуються сумісними по електричних характеристиках з ТТЛ. Максимальна напруга в схемах з ТТЛ може досягати 24В, проте це приводить до великого рівня паразитного сигналу. Досить малий рівень паразитного сигналу при збереженні достатньої ефективності досягається при напрузі 5В, тому дана цифра і увійшла до технічного регламенту ТТЛ. Принцип роботи ТТЛ з простим інвертором:



Розрахунок мультивібратора

Мультивібратори - це генератори релаксаційного типу з прямокутною формою імпульсів, які широко використовуються як задавальні генератори в системах керування.

Діоди VD1 і VD2 виконують функцію порогових елементів й використовують для покращення форми вихідної напруги мультивібратора.

Параметри резиcтора визначають тривалість імпульсу (додатне значення вихідної напруги)

а резистора - тривалість паузи (від'ємне значення вихідної напруги)

Розрахунок мультивібратора починають з вибору типу операційного підсилювача DA1 (можна вибирати підсилювач середнього класу точності). Враховуючи, що вхідні напруги спів мірні, опори вхідних кіл ОП повинні бути в межах 10 кОм (для ОП із біполярними вхідними транзисторами) або в межах 100кОм (для ОП з уніполярними вхідними транзисторами).

Задаючись значенням опору резистора ланки зворотного зв'язку у вказаних межах, визначають опір резистора . Коефіцієнт додатного зворотного зв'язку за напругою визначається за виразом:

Ємність конденсатора визначається з виразу для періоду коливань мультивібратора



Враховуючи, що , а , величина ємності

Період коливань визначаємо зі співвідношення:

Опір резисторів R, R1, R2 вибирають з урахуванням максимально припустимого вихідного струму ОП.

Розрахунок загальмованого мультивібратора

Одновібратори - це генератори прямокутних імпульсів, які працюють в очікувальному режимі. Такий режим характеризується стійким і квазістійним станами рівноваги. Перехід зі стійкого до квазістійкого стану здійснюються за наявності зовнішнього імпульсу, який називають запускальним. Тобто формується один прямокутний імпульс заданої тривалості під дією запускального імпульсу.

В момент увімкнення джерела живлення напруги на виході ОП приймає одне зі значень, нехай .

Під дією цієї напруги проходять струми по ланці від'ємного (R-VD2) і додатного () зворотних зв'язків. Оскільки вихідна напруга ОП є від'ємною, то діод VD2 відкритий і напруга на конденсаторі . Напруга на неінвертуючому вході ОП дорівнює

Якщо в момент часу на вхід подати короткотривалий імпульс, напруга якого більша за , то компаратор перейде в стан зі вихідною напругою . Діод VD2 закривається і починається заряд конденсатора C через резистор R, а напруга на неінвертуючому вході ОП

має додатне значення. Коли напруга конденсатора досягає значення компаратор повертається до стану з вихідною напругою . При цьому конденсатор розряджається до напруги .

Таким чином, тривалістю імпульсу визначається параметри схеми

Подання наступного імпульсу запускання можливе за умови повного розряджання конденсатора, який визначається часом відновлення



Тобто повинна забезпечуватись тотожність

В вихідніх даних для розрахунку схеми повинні бути відомими: тип ОП, період повторення запускаючи імпульс T, протяжність генерованих імпульсів t_і. Значення опорів R₁ R₂ R визначаємо зі співвідношень:

Величина вибирається згідно типу ОП.

кОм

, Звідси ,

,,,Звідси

Значення ємності конденсатора визначається за формолою:

Опір резистора вибирається з умови:



Значення ємності конденсатора розраховується за формолую:

Розраховуємо

Розрахунок генератора лінійно-змінної напруги

Як активні ключові елементи у проектуванні таких генераторів в наш час найбільш широко використовують операційні підсилювачі, що мають велику функціональну надмірність. Щоб вихідна напруга була пропорційною інтегралові вхідної напруги, в ОП вмикають конденсатор в колі негативного зворотнього зв'язку. Тому генератори пилкоподібної напруги на ОП будують за принципом генераторів із зворотнім зв'язком, що інтегрують сталу напругу джерела живлення.

Генератори лінійно-змінної пилкоподібної напруги призначені для отримання напруги, яка за деякий час зростає або зменшується за лінійним або близьким до лінійного законом. У пристроях промислової електроніки генератори напруги, що змінюється лінійно, використовують у пристроях порівняння, які фіксують момент досягнення напругою заданого рівня, для часової затримки і розширення імпульсів, для отримання часової розгортки ЕПТ і т. д.

Генератор пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, можна створити, якщо інтегруюче RС-коло ввімкнути в коло позитивного зворотного зв'язку. У відсутності вхідного керуючого імпульсу U_зап U_вх, діод VD відкритий, напруга на неінвертуючому вході = 0 і конденсатор розряджений (U_С (0) = 0). Напруга на інвертуючому вході (за відповідним чином розрахованими опорами подільника на резисторах R2, R3, R4) задається такого рівня, при якому ОП перебуває в режимі обмеження з U_вих = - Е_С.

Вхідний керуючий імпульс U_зап, впливаючи на вхід схеми в момент часу t₁ закриває діод VD. Конденсатор С з урахуванням того, що U_С (0) ? 0 та U_вих =- Е_С, починає заряджатися струмом І_С =і₁ - і₂ =Е/R₁ - Е/R₅. Якщо відповідним чином розрахувати параметри елементів схеми генератора, щоб Ді₁= Ді₂, то І_С = const, конденсатор заряджається строго постійним струмом. При цьому напруга Uвих збільшується і в момент закінчення роб 0чого ходу досягає значення + Е_С. В момент закінчення керуючого імпульсу (t = t₂) діод різко відкривається і конденсатор з великою швидкістю розряджається. Вихідна напруга зменшується до рівня - Е_С. Час відновлення вихідного стану схеми

t_в = 5С(r_д + R_вих),

де r_д - опір відкритого діода VD; R_вих - вихідний опір джерела керуючих імпульсів.

Висновок

Під час виконання даної курсової роботи навчився і розробив пристрої обробки електричних сигналів, побудованих на базі операційних підсилювачів, що розраховуються в залежності від типу операційного підсилювача. Компаратори, мультивібратори, загальмовані мультивібратори, RC-автогенератори, генератори лінійно-змінної напруги розраховуються відповідно до заданих елементів. Якщо були правильно проведені розрахунки, то пристрій обробки електричних сигналів буде злагоджено працювати і на виході, при знятті напруги, отримаємо імпульси пилкоподібної форми. В залежності від заданих елементів та їх номіналів, змінюється форма та тривалість цих імпульсів.

Типи операційних підсилювачів легко реалізувати у програмному комплексі National Instruments від розробника програмного забезпечення для дослідження інтегральних мікросхем. Побудова пристрою обробки електричних сигналів зводиться до вибору операційного підсилювача, після чого відбувається компонування його із елементами мікросхем(резисторами, транзисторами, конденсаторами, котушками індуктивності та ін..). Після того, як задали обраховані дані, визначаємо інші параметри ІМС. Після завершення побудови мікросхеми, з осцилографа можна зняти часові характеристики та форму вихідного імпульсу.

Список використаної літератури

1. Мазор Ю., Мачуський Є. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник. - К., 2001.

2. Прищепа М.М., Погребняк В.П. Мікроелектроніка: В 3 ч. Ч. 2. Елементи мікросхемотехніки. - К., 2006.

3. Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем. - М., 2002.

4. Шило В.Л. “Популярні цифрові мікросхеми”. Справочник Челябинск “Металлургия”, 1988.

5. Гершунський: “Довідник по розрахунку електронних схем”. - Київ: Вища школа. - 1983.

6. Буняк А.М. “Електроніка та мікросхемотехніка”. - Київ,Тернопіль: “Астон”, 2001.